ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ
Το EtherCAT είναι ένα σύστημα fieldbus που βασίζεται σε Ethernet με ανοιχτή αρχιτεκτονική. Το CAT στο EtherCAT είναι ένα αρκτικόλεξο για το Control Automation Technology. Αναπτύχθηκε αρχικά από την Beckhoff Automation GmbH στη Γερμανία. Το EtherCAT θέτει ένα νέο πρότυπο για απόδοση σε πραγματικό χρόνο και τοπολογική ευελιξία, ενώ ταυτόχρονα συμμορφώνεται ή ακόμη και μειώνει το κόστος χρήσης του fieldbus. Το EtherCAT διαθέτει επίσης συγχρονισμό συσκευών υψηλής ακρίβειας, προαιρετικό πλεονασμό καλωδίων και το πρωτόκολλο λειτουργικής ασφάλειας (SIL3).
αρχή
Υπάρχουν πολλές λύσεις Ethernet για την παροχή λειτουργικότητας σε πραγματικό χρόνο: για παράδειγμα, απενεργοποίηση της διαδικασίας πρόσβασης CSMA/CD μέσω ενός ανώτερου επιπέδου πρωτοκόλλου και αντικατάστασή της με μια διαδικασία χρονομερίσματος ή ψηφοφορίας. Άλλα σχήματα χρησιμοποιούν ιδιωτικούς διακόπτες και διανέμουν πακέτα Ethernet με ακριβή έλεγχο χρόνου. Αν και αυτές οι λύσεις μπορούν να παραδώσουν πακέτα σε συνδεδεμένους κόμβους Ethernet σχετικά γρήγορα και με ακρίβεια, η χρήση εύρους ζώνης είναι χαμηλή, ειδικά για τυπικές συσκευές αυτοματισμού, επειδή ακόμη και για πολύ μικρές ποσότητες δεδομένων, πρέπει να σταλεί ένα πλήρες πλαίσιο Ethernet. Επιπλέον, ο χρόνος που απαιτείται για την ανακατεύθυνση στην έξοδο ή τον ελεγκτή μονάδας δίσκου και για την ανάγνωση των δεδομένων εισόδου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη λειτουργία εκτέλεσης. Συχνά είναι απαραίτητη η χρήση υποδιαύλου, ειδικά σε αρθρωτά συστήματα I/O, τα οποία, όπως το Beckhoff K-bus, επιταχύνουν τη μετάδοση μέσω ενός συστήματος σύγχρονου διαύλου, αλλά αυτός ο συγχρονισμός δεν θα αποφύγει τις καθυστερήσεις στη μετάδοση του διαύλου επικοινωνίας.
Με το EtherCAT, ο Beckhoff μπόρεσε να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς του συστήματος άλλων λύσεων Ethernet: δεν ήταν πλέον απαραίτητο να λαμβάνει πακέτα Ethernet σε κάθε σημείο σύνδεσης, να τα αποκωδικοποιεί και να τα αντιγράφει στα δεδομένα διεργασίας. Καθώς τα καρέ διέρχονται από κάθε συσκευή, συμπεριλαμβανομένης της υποκείμενης τερματικής συσκευής, το EtherCAT διαβάζει δεδομένα από τον ελεγκτή σταθμού που είναι σημαντικά για αυτήν τη συσκευή. Ομοίως, τα δεδομένα εισόδου μπορούν να εισαχθούν σε ένα μήνυμα καθώς αυτό διέρχεται. Αφού περάσει το πλαίσιο (καθυστέρησε μόνο μερικά bit), ο slave σταθμός αναγνωρίζει τη σχετική εντολή και την επεξεργάζεται. Αυτή η διαδικασία υλοποιείται μέσω υλικού στον υποτελή ελεγκτή και επομένως είναι ανεξάρτητη από την απόδοση του συστήματος σε πραγματικό χρόνο ή του επεξεργαστή του λογισμικού στοίβας πρωτοκόλλων. Η τελευταία υποτελής μονάδα EtherCAT στο τμήμα δικτύου επιστρέφει ένα πλήρως επεξεργασμένο μήνυμα, έτσι ώστε το μήνυμα να επιστραφεί ως μήνυμα απάντησης από την πρώτη υποτελή στην κύρια μονάδα.
Από την άποψη του Ethernet, το τμήμα διαύλου EtherCAT είναι απλώς μια μεγάλη συσκευή Ethernet που λαμβάνει και στέλνει πλαίσια Ethernet. Ωστόσο, αυτή η «συσκευή» δεν περιέχει ούτε έναν ελεγκτή Ethernet με μικροεπεξεργαστή κατάντη, αλλά μόνο έναν μεγάλο αριθμό υποτελών σταθμών EtherCAT. Όπως συμβαίνει με οποιοδήποτε Ethernet, το EtherCAT δεν απαιτεί διακόπτη για την πραγματοποίηση επικοινωνίας, με αποτέλεσμα ένα καθαρό σύστημα EtherCAT.
εκτέλεση
Το EtherCAT φτάνει σε ένα νέο επίπεδο απόδοσης δικτύου. Η περίοδος ανανέωσης 1000 κατανεμημένων δεδομένων εισόδου/εξόδου είναι μόνο 30μs, συμπεριλαμβανομένου του χρόνου τερματικού κύκλου. Μέσω ενός πλαισίου Ethernet, μπορούν να ανταλλάσσονται έως και 1486 byte δεδομένων διεργασίας, που ισοδυναμούν με σχεδόν 12.000 ψηφιακούς τόμους εισόδου/εξόδου. Αυτή η ποσότητα δεδομένων μπορεί να μεταδοθεί σε μόλις 300μs.
Η επικοινωνία με 100 άξονες σερβομηχανισμού είναι μόνο 100μs. Κατά τη διάρκεια αυτού του χρόνου, οι τιμές ρύθμισης και τα δεδομένα ελέγχου μπορούν να παρέχονται σε όλους τους άξονες και να αναφέρεται η πραγματική θέση και κατάστασή τους. Η τεχνολογία κατανεμημένου ρολογιού διασφαλίζει ότι η απόκλιση χρόνου συγχρονισμού μεταξύ αυτών των αξόνων είναι μικρότερη από 1 μικροδευτερόλεπτο.
Με την εξαιρετική απόδοση της τεχνολογίας EtherCAT, μπορούμε να πραγματοποιήσουμε τη μέθοδο ελέγχου που δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί από το παραδοσιακό σύστημα fieldbus. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν επίσης να σχηματιστούν βρόχοι ελέγχου εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας μέσω του διαύλου. Οι λειτουργίες που προηγουμένως απαιτούσαν εγγενή αποκλειστική υποστήριξη υλικού μπορούν τώρα να αντιστοιχιστούν σε λογισμικό. Οι τεράστιοι πόροι εύρους ζώνης επιτρέπουν στα δεδομένα κατάστασης να μεταδίδονται παράλληλα με οποιαδήποτε δεδομένα. Η τεχνολογία EtherCAT επιτρέπει στην τεχνολογία επικοινωνιών να ταιριάζει με τους σύγχρονους βιομηχανικούς υπολογιστές υψηλής απόδοσης. Το σύστημα λεωφορείων δεν αποτελεί πλέον εμπόδιο για τον έλεγχο των ιδεών. Η παράδοση δεδομένων σε κατανεμημένες I/O υπερβαίνει την απόδοση που μπορεί να επιτευχθεί μόνο από τοπικές διεπαφές I/O.
Αυτό το πλεονέκτημα απόδοσης δικτύου είναι εμφανές σε μικρούς ελεγκτές με σχετικά μέτρια υπολογιστική ισχύ. Ο βρόχος υψηλής ταχύτητας του EtherCAT, ο οποίος μπορεί να γίνει ανάμεσα σε δύο βρόχους ελέγχου. Επομένως, ο ελεγκτής έχει πάντα διαθέσιμα τα πιο πρόσφατα δεδομένα εισόδου και η καθυστέρηση διευθυνσιοδότησης εξόδου είναι ελάχιστη. Η συμπεριφορά απόκρισης του ελεγκτή μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά χωρίς να ενισχυθεί η δική του υπολογιστική ισχύς.
Οι αρχές του EtherCAT είναι επεκτάσιμες και δεν περιορίζονται στα 100 megabit εύρους ζώνης - είναι δυνατή η κλιμάκωση σε gigabit Ethernet.
Το EtherCAT αντικαθιστά το PCI:
Με την επιτάχυνση της ανάπτυξης της σμίκρυνσης εξαρτημάτων υπολογιστή, ο όγκος του βιομηχανικού υπολογιστή εξαρτάται κυρίως από τον αριθμό των απαιτούμενων υποδοχών.
Η χρήση του εύρους ζώνης Ethernet υψηλής ταχύτητας και του εύρους ζώνης δεδομένων υλικού επικοινωνιών EtherCAT (εξυπηρετούμενος ελεγκτής EtherCAT) άνοιξε μια νέα δυνατότητα εφαρμογής: οι διεπαφές που συνήθως βρίσκονται στο IPC μεταφέρθηκαν σε τερματικά έξυπνης διεπαφής στα συστήματα EtherCAT. Εκτός από τις κατανεμημένες I/O, τους άξονες και τις μονάδες ελέγχου, πολύπλοκα συστήματα όπως κύριοι σταθμοί fieldbus, σειριακές διεπαφές υψηλής ταχύτητας, πύλες και άλλες διεπαφές επικοινωνίας μπορούν να αντιμετωπιστούν μέσω μιας θύρας Ethernet στον υπολογιστή. Ακόμη και άλλες συσκευές Ethernet χωρίς περιορισμούς παραλλαγής πρωτοκόλλου μπορούν να συνδεθούν μέσω των τερματικών DVS. Το μέγεθος του mainframe βιομηχανικού υπολογιστή γίνεται μικρότερο, το κόστος μειώνεται, μια διεπαφή Ethernet είναι αρκετή για να αντιμετωπίσει όλες τις εργασίες επικοινωνίας.
Χρησιμοποιήστε Ethernet αντί για συσκευές fieldbus PCI (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i, κ.λπ.) για ενσωμάτωση μέσω κατανεμημένου κύριου τερματικού διαύλου πεδίου. Η μη χρήση του fieldbus master αποθηκεύει υποδοχές PCI στον υπολογιστή.
Τοπολογία διαύλου
Δίαυλος, δέντρο ή αστέρι: Το EtherCAT υποστηρίζει σχεδόν όλες τις τοπολογίες. Έτσι, η δομή διαύλου που προέρχεται από fieldbuss μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για Ethernet. Ο συνδυασμός δομών διαύλου και κλάδου είναι ιδιαίτερα χρήσιμος για την καλωδίωση του συστήματος. Όλες οι διεπαφές βρίσκονται σε ζεύκτες, εξαλείφοντας την ανάγκη για πρόσθετους διακόπτες. Φυσικά, μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε την παραδοσιακή τοπολογία αστεριού Ethernet που βασίζεται σε διακόπτη.
Η χρήση διαφορετικών καλωδίων μετάδοσης μπορεί να μεγιστοποιήσει την ευελιξία της καλωδίωσης. Τα ευέλικτα και φθηνά τυπικά καλώδια plug-in Ethernet μπορούν να μεταδώσουν σήματα μέσω της λειτουργίας Ethernet (100baseTX) ή μέσω του διαύλου E. Οι οπτικές ίνες (Pfos) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ειδικές εφαρμογές. Το εύρος ζώνης Ethernet (όπως διαφορετικά οπτικά και χάλκινα καλώδια) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με διακόπτες ή μετατροπείς πολυμέσων. Τα φυσικά χαρακτηριστικά του Fast Ethernet επιτρέπουν στις συσκευές να απέχουν μεταξύ τους 100 μέτρα, ενώ το E-bus μπορεί να απέχει μόνο 10 μέτρα. Το Fast Ethernet ή το E-bus μπορούν να επιλεγούν σύμφωνα με τις απαιτήσεις απόστασης. Το σύστημα EtherCAT μπορεί να φιλοξενήσει έως και 65535 συσκευές, επομένως το συνολικό μέγεθος δικτύου είναι σχεδόν απεριόριστο.
Μπορείτε να επιλέξετε ελεύθερα την τοπολογία. Η καλωδίωση έχει τη μεγαλύτερη ευελιξία: εάν θα χρησιμοποιήσετε το διακόπτη, είναι η χρήση δομής τοπολογίας διαύλου ή δομή τοπολογίας δέντρου, μπορεί να είναι οποιοσδήποτε συνδυασμός επιλογής. Αυτόματη κατανομή διευθύνσεων. Δεν χρειάζεται να ορίσετε διεύθυνση IP.
ειλικρίνεια
Το EtherCAT δεν είναι μόνο πλήρως συμβατό με το Ethernet, αλλά έχει επίσης ένα μοναδικό χαρακτηριστικό ανοιχτού σχεδιασμού: μπορεί να συνυπάρχει με άλλα πρωτόκολλα Ethernet που παρέχουν μια ποικιλία υπηρεσιών και όλα συνυπάρχουν στο ίδιο φυσικό μέσο - συνήθως με μικρό μόνο αντίκτυπο στο συνολική απόδοση του δικτύου. Οι τυπικές συσκευές Ethernet μπορούν να συνδεθούν σε ένα σύστημα EtherCAT μέσω του τερματικού διακόπτη, το οποίο δεν επηρεάζει τους χρόνους κύκλου. Οι συσκευές που είναι εξοπλισμένες με μια παραδοσιακή διεπαφή fieldbus μπορούν να ενσωματωθούν στο δίκτυο μέσω μιας σύνδεσης στο κύριο τερματικό διαύλου πεδίου EtherCAT. Η παραλλαγή του πρωτοκόλλου UDP επιτρέπει την ενσωμάτωση συσκευών σε οποιαδήποτε διεπαφή υποδοχής. Το EtherCAT είναι ένα πλήρως ανοιχτό πρωτόκολλο που έχει αναγνωριστεί ως επίσημη προδιαγραφή IEC (IEC/PAS62407).