Principio de trabajo de EtherCAT
1. Principio de funcionamiento:
Hay varias soluciones Ethernet disponibles para proporcionar funcionalidad en tiempo real: por ejemplo, el proceso de acceso CSMA / CD se desactiva a través de una capa de protocolo de nivel superior y se reemplaza con un segmento de tiempo o proceso de sondeo. Otras soluciones usan conmutadores dedicados y usan un control de tiempo preciso para distribuir paquetes de Ethernet. Aunque estas soluciones pueden entregar paquetes a los nodos Ethernet conectados de forma más rápida y precisa, la utilización del ancho de banda es muy baja, especialmente para equipos de automatización típicos, ya que incluso para volúmenes de datos muy pequeños, debe enviarse un cuadro Ethernet completo. Además, el tiempo requerido para redirigir a la salida o controlar el controlador y leer los datos de entrada depende principalmente del modo de ejecución. Por lo general, también es necesario utilizar un bus secundario, especialmente en el sistema de E / S modular, estos sistemas y BeckhoFF K-bus, a través del sistema sub-bus síncrono para acelerar la velocidad de transmisión, pero dicha sincronización no podrá evitar retraso causado por la transmisión del bus de comunicación.
Al utilizar la tecnología EtherCAT, BeckhoFF superó las limitaciones de este sistema de otras soluciones Ethernet: en lugar de recibir paquetes de Ethernet en cada punto de conexión como antes, decodificando y copiando como datos de proceso. Cuando una trama pasa a través de cada dispositivo (incluido el dispositivo terminal subyacente), el controlador esclavo EtherCAT lee los datos que son importantes para el dispositivo. De manera similar, los datos de entrada se pueden insertar en el mensaje a medida que pasa. Cuando se pasa el marco (solo unos pocos bits retrasados), el esclavo reconoce el comando relevante y lo procesa. Este proceso se implementa en hardware en el controlador esclavo y, por lo tanto, es independiente del funcionamiento del sistema operativo en tiempo real o del procesador del software de pila de protocolo. El último esclavo EtherCAT en el segmento devuelve el mensaje completamente procesado para que el mensaje se devuelva como una respuesta del primer esclavo al maestro.
Desde una perspectiva Ethernet, el segmento del bus EtherCAT es simplemente un gran dispositivo Ethernet que puede recibir y enviar tramas Ethernet. Sin embargo, el "dispositivo" no incluye un solo controlador Ethernet con un microprocesador en sentido descendente, sino solo un gran número de esclavos EtherCAT. Como cualquier otra Ethernet, EtherCAT puede establecer comunicación sin necesidad de un interruptor, creando así un sistema EtherCAT puro.
2. Terminales implementan Ethernet:
Cada dispositivo del sistema garantiza el uso de un protocolo Ethernet completo, incluso para cada terminal de E / S, sin utilizar un sub-bus. Simplemente convierta el medio de transmisión del acoplador de par trenzado (100baseTX) a bus E para cumplir con los requisitos del bloque de terminales electrónico. El tipo de señal de bus E (LVDS) en el bloque de terminales no está dedicado, también se puede usar para 10 Gigabit Ethernet. Al final del bloque de terminales, las características físicas del bus se convierten nuevamente al estándar 100baseTX.
Los MAC de Ethernet estándar o las tarjetas de red estándar (NIC) de bajo costo son suficientes para usar como hardware en el controlador. DMA (Direct Memory Access) se usa para transferir datos a la PC. Esto significa que el acceso a la red no tiene efecto en el rendimiento de la CPU. El mismo principio se usa en la tarjeta multipuerto BeckhoFF, que agrupa hasta 4 canales Ethernet en una ranura PCI.
3. El procesamiento del protocolo se realiza completamente en hardware
3.1 protocolo:
El protocolo EtherCAT está optimizado para datos de proceso y se transfiere directamente a tramas Ethernet o se comprime en datagramas UDP / IP. El protocolo UDP se usa cuando el router trata el segmento EtherCAT en otras subredes. Una trama Ethernet puede contener varios mensajes EtherCAT, cada uno de los cuales está dedicado a un área de memoria específica que se puede usar para programar una imagen de proceso lógica de hasta 4 GB de tamaño. Como la cadena de datos es independiente de la secuencia física de los terminales EtherCAT, los terminales EtherCAT se pueden direccionar libremente. Las estaciones esclavas pueden transmitir, multidifundir y comunicarse.
El protocolo también puede manejar la comunicación de parámetros normalmente no cíclica. La estructura y el significado de los parámetros son establecidos por el perfil de dispositivo CANOPEN y estos perfiles de dispositivo se usan para una variedad de clases de dispositivos y aplicaciones. EtherCAT también admite reglas dependientes que cumplen con la norma IEC 61491. El perfil lleva el nombre de SERCOSTM y es universalmente reconocido en el mundo de las aplicaciones de control de movimiento.
Además del intercambio de datos de acuerdo con el principio maestro / esclavo, EtherCAT también es muy adecuado para la comunicación entre controladores (maestro / maestro). Las variables de red de datos de proceso libremente direccionables, así como diversos servicios de parametrización, diagnóstico, programación y control remoto pueden cumplir numerosos requisitos. La interfaz de datos para la comunicación maestro / esclavo con el maestro / maestro es la misma.
FMMU: el procesamiento de mensajes se realiza completamente en hardware
3.2 rendimiento:
EtherCAT ha alcanzado una nueva altura en el rendimiento de la red. El ciclo de actualización de 1000 datos de E / S distribuidas es de solo 30 μs, incluido el tiempo de ciclo del terminal. Con una trama Ethernet, se pueden intercambiar hasta 1486 bytes de datos de proceso, lo que corresponde a casi 12,000 E / S digitales. La transmisión de este volumen de datos es de solo 300 μs.
La comunicación con 100 servos de ejes toma solo 100 μs. Durante este tiempo, los valores establecidos y los datos de control se pueden proporcionar a todos los ejes y se puede informar su posición y estado reales. La tecnología de reloj distribuido garantiza que el tiempo de sincronización entre estos ejes se desvíe en menos de 1 microsegundo.
Utilizando el rendimiento superior de la tecnología EtherCAT, es posible implementar un método de control que no se puede realizar con un sistema de bus de campo convencional. De esta forma, también se puede formar un lazo de control ultrarrápido a través del bus. Las características que anteriormente requerían soporte de hardware dedicado local ahora se pueden mapear en el software. Los enormes recursos de ancho de banda permiten que los datos de estado se transmitan en paralelo con cualquier dato. La tecnología EtherCAT permite que la tecnología de comunicación se una a las PC industriales modernas de alto rendimiento. El sistema de bus ya no es el cuello de botella del concepto de control. La transferencia de datos de E / S distribuida excede el rendimiento que solo se puede lograr con la interfaz de E / S local.
Esta ventaja de rendimiento de la red es evidente en controladores pequeños con una potencia informática relativamente moderada. El ciclo de alta velocidad de EtherCAT se puede completar entre dos ciclos de control. Por lo tanto, el controlador siempre tiene los últimos datos de entrada disponibles, y el retraso en el direccionamiento de salida es mínimo. El comportamiento de respuesta del controlador se mejora significativamente sin la necesidad de mejorar su propia potencia de cálculo.
El principio de la tecnología EtherCAT es escalable, no limitado a un ancho de banda de 100M. También es posible Ethernet extendida a Gigabit.
3.3 EtherCAT reemplaza PCI:
Con la aceleración de la miniaturización de los componentes de PC, el tamaño de las PC industriales depende principalmente del número requerido de ranuras.
El uso del ancho de banda Ethernet de alta velocidad y el ancho de banda de datos del hardware de comunicación EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) abren nuevas posibilidades para la aplicación: las interfaces que normalmente se encuentran en el IPC se transfieren a los terminales de interfaz inteligente en el sistema EtherCAT. Además de las E / S distribuidas, los ejes y las unidades de control, los sistemas complejos tales como maestros de bus de campo, interfaces en serie de alta velocidad, puertas de enlace y otras interfaces de comunicación se pueden abordar a través de un puerto Ethernet en la PC. Incluso otros dispositivos Ethernet que no están restringidos a variantes de protocolo pueden conectarse a través de terminales de conmutación distribuidos. El tamaño del host de PC industrial es cada vez más pequeño, y el costo es cada vez más bajo. Una interfaz Ethernet es suficiente para todas las tareas de comunicación.
Se utiliza Ethernet en lugar de dispositivos de bus de campo PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, etc.) para integrar a través de terminales maestros de bus de campo distribuidos. No usar un maestro de bus de campo ahorra ranuras PCI en la PC.
3.4 Topología:
Bus, árbol o estrella: EtherCAT es compatible con casi cualquier topología. Por lo tanto, la estructura del bus derivado del bus de campo también se puede usar para Ethernet. La combinación del bus y las estructuras de bifurcación es particularmente útil para el cableado del sistema. Todas las interfaces están ubicadas en el acoplador y no se requieren interruptores adicionales. Por supuesto, también se puede usar una topología de estrella basada en switch tradicional.
El uso de diferentes cables de transmisión maximiza la flexibilidad del cableado. El cable de conexión Ethernet estándar flexible y económico puede transmitir señales a través del modo Ethernet (100baseTX) o a través del bus E. La fibra óptica (PFO) puede usarse para aplicaciones especiales. El ancho de banda de Ethernet (por ejemplo, diferentes cables de fibra óptica y cables de cobre) se puede usar junto con interruptores o convertidores de medios. Las características físicas de Fast Ethernet pueden hacer que la distancia entre los dispositivos alcance los 100 metros, mientras que el E-bus solo puede garantizar el espaciamiento de 10 metros. Fast Ethernet o E-bus se pueden seleccionar de acuerdo con los requisitos de distancia. El sistema EtherCAT puede acomodar hasta 65,535 dispositivos, por lo que toda la red es casi ilimitada
4. Libre elección de topología
Existe una flexibilidad máxima en el cableado: si se usan conmutadores, si se usa una topología de bus o una topología de árbol. Asignación automática de direcciones; no es necesario configurar una dirección IP.
4.1 Reloj distribuido:
La sincronización precisa es particularmente importante en el proceso de distribución donde se requiere una amplia gama de acciones simultáneas, como cuando varios ejes de servo realizan tareas de vinculación simultáneas.
La calibración precisa del reloj distribuido es la solución más efectiva para la sincronización. Por el contrario, si se utiliza la sincronización completa, la calidad de los datos de sincronización se verá muy afectada cuando se produzcan errores de comunicación. En el sistema de comunicación, el reloj de calibración paso a paso es tolerante a la demora de error en cierta medida. En EtherCAT, el intercambio de datos se basa completamente en dispositivos de hardware puros. Como la comunicación utiliza una estructura de red de anillo lógica, Fast Ethernet de dúplex completo y una estructura de red de anillo real, el "reloj maestro" puede determinar de manera simple y precisa la compensación de operación para cada "reloj esclavo" y viceversa. El reloj distribuido se ajusta en función de este valor, lo que significa que puede proporcionar una base de reloj muy precisa con menos de 1 microsegundo de fluctuación de fase en la red.
Sin embargo, los relojes distribuidos de alto rendimiento no solo se utilizan para la sincronización, sino que también proporcionan información precisa sobre la hora local durante la adquisición de datos. Debido a la introducción de nuevos tipos de datos ampliados, los valores medidos se pueden asignar con marcas de tiempo muy precisas.
4.2 Conexión caliente:
Muchas aplicaciones requieren cambiar la configuración de E / S durante la operación. Por ejemplo, un centro de procesamiento con características cambiantes, un sistema de herramientas equipado con sensor, un dispositivo de transmisión inteligente, un actuador de pieza de trabajo flexible y una impresora que puede cerrar de forma independiente la unidad de impresión. El sistema EtherCAT tiene en cuenta estos requisitos: la función de "conexión en caliente" puede conectar o desconectar las diversas partes de la red o reconfigurarlas "dinámicamente" para proporcionar una respuesta flexible a las configuraciones cambiantes.
4.3 Alta disponibilidad:
La redundancia de cable opcional cumple con la creciente demanda de una mayor disponibilidad del sistema para que el equipo pueda ser reemplazado sin apagar la red.
EtherCAT también admite estaciones maestras redundantes con espera activa. Dado que el controlador esclavo EtherCAT devuelve automáticamente los cuadros cuando se produce una interrupción, una falla del dispositivo no hará que se cierre toda la red. Por ejemplo, la cadena de protección del cable se puede configurar especialmente en forma de una barra corta para evitar roturas.
4.4 seguridad:
Las funciones de seguridad generalmente se implementan por separado de la red de automatización, a través de hardware o utilizando un sistema dedicado de bus de seguridad. Gracias a TwinSAFE (tecnología de seguridad de BeckhoFF), ahora es posible utilizar el protocolo de seguridad EtherCAT para la comunicación relacionada con la seguridad y la comunicación de control en la misma red.
El protocolo de seguridad se basa en la capa de aplicación de EtherCAT y no afecta a las capas inferiores. Este protocolo de seguridad ha sido certificado según IEC 61508 para alcanzar un nivel de integración de seguridad (SIL) 3 e incluso puede alcanzar SIL4 después de tomar las medidas pertinentes. La longitud de los datos puede variar para que el protocolo sea igualmente aplicable a los datos de E / S de seguridad y a la tecnología de accionamiento de seguridad. Al igual que otros datos de EtherCAT, los datos seguros se pueden enrutar sin utilizar un enrutador o puerta de enlace segura.
4.5 Diagnosis:
Las capacidades de diagnóstico de la red son muy importantes para mejorar la disponibilidad de la red y reducir el tiempo de puesta en servicio (lo que reduce los costos generales). Los errores solo se pueden eliminar rápidamente si se detectan de forma rápida y precisa y se identifican claramente. Por lo tanto, durante el desarrollo de EtherCAT, se prestó especial atención a las características de diagnóstico típicas.
Durante la operación de prueba, se verifica la continuidad de la configuración real del terminal de E / S utilizando la configuración especificada. La topología también debe coincidir con la configuración. Debido a la identificación de topología incorporada, las E / S se pueden confirmar cuando se inicia el sistema o cuando se instala automáticamente.
Los errores de bit durante la transmisión de datos se pueden detectar con un CRC válido de 32 bits. Además de la detección y ubicación del punto de interrupción, la transmisión de la capa física y la topología a través del protocolo del sistema EtherCAT hace realidad la supervisión de alta calidad de cada segmento de transmisión individual. Al analizar automáticamente los contadores de errores relevantes, la parte crítica de la red puede ubicarse con precisión. Puede detectar y localizar fuentes de error constante, como interferencia EMC, conectores defectuosos o cables dañados, incluso si no han tenido un impacto excesivo en la capacidad de la red para curarse a sí mismo.
4.6 Apertura:
La tecnología EtherCAT no solo es totalmente compatible con Ethernet, sino que también tiene características especiales de apertura de diseño: este protocolo puede coexistir con otros protocolos Ethernet que brindan diversos servicios, y todos los protocolos coexisten en el mismo medio físico, generalmente solo El rendimiento general de la red un pequeño grado de impacto. Un dispositivo Ethernet estándar se puede conectar a un sistema EtherCAT a través de un terminal de interruptor, que no afecta el tiempo del ciclo. Los dispositivos con una interfaz de bus de campo tradicional pueden integrarse en la red a través de la conexión del terminal maestro del bus de campo EtherCAT. La variante de protocolo UDP permite que el dispositivo se integre en cualquier interfaz de ranura. EtherCAT es un protocolo totalmente abierto que se ha identificado como una especificación IEC formal (IEC / PAS62407).