обзор
EtherCAT — это система полевой шины на базе Ethernet с открытой архитектурой. CAT в EtherCAT — это аббревиатура от Control Automation Technology. Первоначально разработан Beckhoff Automation GmbH в Германии. EtherCAT устанавливает новый стандарт производительности в режиме реального времени и топологической гибкости, а также соответствует или даже снижает стоимость использования полевой шины. EtherCAT также обеспечивает высокоточную синхронизацию устройств, дополнительное резервирование кабеля и протокол функциональной безопасности (SIL3).
принцип
Существует несколько решений Ethernet для обеспечения функциональности в реальном времени: например, отключение процесса доступа CSMA/CD через более высокий уровень протокола и замена его временным интервалом или процедурой опроса. Другие схемы используют частные коммутаторы и распределяют пакеты Ethernet с точным контролем времени. Хотя эти решения могут доставлять пакеты на подключенные узлы Ethernet относительно быстро и точно, использование полосы пропускания является низким, особенно для типичных устройств автоматизации, поскольку даже для очень небольших объемов данных необходимо отправлять полный кадр Ethernet. Кроме того, время, необходимое для перенаправления на контроллер вывода или привода и для чтения входных данных, во многом зависит от режима выполнения. Часто необходимо использовать подшину, особенно в модульных системах ввода-вывода, которые, подобно K-шине Beckhoff, ускоряют передачу через систему синхронной шины, но такая синхронизация не позволяет избежать задержек при передаче по коммуникационной шине.
С помощью EtherCAT компания Beckhoff смогла преодолеть эти системные ограничения других решений Ethernet: больше не было необходимости получать пакеты Ethernet в каждой точке подключения, декодировать их и копировать в данные процесса. Когда кадры проходят через каждое устройство, включая нижележащее терминальное устройство, EtherCAT считывает данные с контроллера станции, которые важны для этого устройства. Точно так же входные данные могут быть вставлены в сообщение по мере его прохождения. После передачи кадра (с задержкой всего на несколько битов) ведомая станция распознает соответствующую команду и обрабатывает ее. Этот процесс реализуется аппаратно в ведомом контроллере и, следовательно, не зависит от работающей в реальном времени системы или производительности процессора программного обеспечения стека протоколов. Последнее ведомое устройство EtherCAT в сетевом сегменте возвращает полностью обработанное сообщение, поэтому это сообщение возвращается в качестве ответного сообщения от первого ведомого устройства к ведущему устройству.
С точки зрения Ethernet сегмент шины EtherCAT — это просто большое устройство Ethernet, которое получает и отправляет кадры Ethernet. Однако это «устройство» содержит не один Ethernet-контроллер с нижестоящим микропроцессором, а только большое количество подчиненных станций EtherCAT. Как и в случае любого другого Ethernet, EtherCAT не требует коммутатора для установления связи, в результате чего получается чистая система EtherCAT.
производительность
EtherCAT выходит на новый уровень производительности сети. Период обновления 1000 данных распределенного ввода-вывода составляет всего 30 мкс, включая время цикла терминала. Через кадр Ethernet можно обмениваться до 1486 байт данных процесса, что эквивалентно почти 12 000 цифровых объемов ввода-вывода. Такой объем данных может быть передан всего за 300 мкс.
Связь со 100 сервовалами составляет всего 100 мкс. В течение этого времени значения настроек и управляющие данные могут быть предоставлены для всех осей, а их фактическое положение и статус могут быть сообщены. Технология распределенных часов гарантирует, что отклонение времени синхронизации между этими осями составляет менее 1 микросекунды.
Благодаря превосходным характеристикам технологии EtherCAT мы можем реализовать метод управления, который не может быть реализован с помощью традиционной системы полевой шины. Таким образом, через шину также могут быть сформированы контуры управления сверхвысокой скоростью. Функции, которые ранее требовали встроенной выделенной аппаратной поддержки, теперь могут быть отображены в программном обеспечении. Огромные ресурсы полосы пропускания позволяют передавать данные о состоянии параллельно с любыми данными. Технология EtherCAT позволяет коммуникационным технологиям соответствовать современным высокопроизводительным промышленным ПК. Автобусная система больше не является узким местом для контроля идей. Доставка данных в распределенном вводе-выводе превосходит производительность, которая может быть достигнута только с помощью локальных интерфейсов ввода-вывода.
Это преимущество в производительности сети проявляется в небольших контроллерах с относительно умеренной вычислительной мощностью. Высокоскоростной контур EtherCAT, который может быть выполнен между двумя контурами управления. Таким образом, контроллер всегда имеет самые последние входные данные, а задержка адресации вывода минимальна. Реакция контроллера может быть значительно улучшена без увеличения его собственной вычислительной мощности.
Принципы EtherCAT масштабируемы и не ограничены полосой пропускания 100 мегабит — возможно масштабирование до гигабитного Ethernet.
EtherCAT заменяет PCI:
С ускорением развития миниатюризации компонентов ПК объем промышленного ПК в основном зависит от количества необходимых слотов.
Использование пропускной способности высокоскоростной сети Ethernet и пропускной способности аппаратных средств связи EtherCAT (подчиненный контроллер EtherCAT) открыло новую возможность применения: интерфейсы, обычно расположенные в IPC, были перенесены на терминалы интеллектуальных интерфейсов в системах EtherCAT. В дополнение к распределенному вводу-выводу, осям и блокам управления через порт Ethernet на ПК можно обращаться к сложным системам, таким как ведущие станции полевой шины, высокоскоростные последовательные интерфейсы, шлюзы и другие коммуникационные интерфейсы. Через терминалы DVS можно подключать даже другие устройства Ethernet без ограничений по варианту протокола. Размер мэйнфрейма промышленного ПК становится меньше, стоимость снижается, интерфейса Ethernet достаточно для решения всех коммуникационных задач.
Используйте Ethernet вместо устройств полевой шины PCI (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i и т. д.) для интеграции через главный терминал распределенной полевой шины. Неиспользование ведущего устройства fieldbus экономит слоты PCI на ПК.
Топология шины
Шина, дерево или звезда: EtherCAT поддерживает почти все топологии. Таким образом, структура шины, полученная от полевых шин, также может использоваться для Ethernet. Комбинация шинных и ответвленных структур особенно полезна для системной проводки. Все интерфейсы расположены на ответвителях, что устраняет необходимость в дополнительных коммутаторах. Конечно, вы также можете использовать традиционную топологию Ethernet «звезда» на основе коммутатора.
Использование различных кабелей передачи может максимизировать гибкость проводки. Гибкие и недорогие стандартные штекерные кабели Ethernet могут передавать сигналы в режиме Ethernet (100baseTX) или по шине E. Оптические волокна (Pfos) могут использоваться для специальных приложений. Полоса пропускания Ethernet (например, различные оптические и медные кабели) может использоваться в сочетании с коммутаторами или медиаконвертерами. Физические характеристики Fast Ethernet позволяют устройствам находиться на расстоянии 100 метров друг от друга, тогда как E-bus может быть на расстоянии только 10 метров друг от друга. Fast Ethernet или E-bus можно выбрать в зависимости от требований к расстоянию. Система EtherCAT может поддерживать до 65535 устройств, поэтому общий размер сети практически не ограничен.
Вы можете свободно выбирать топологию. Проводка обладает наибольшей гибкостью: использовать ли коммутатор, использовать структуру топологии шины или структуру топологии дерева, может быть любая комбинация по выбору. Автоматическое выделение адресов; Вам не нужно устанавливать IP-адрес.
открытость
EtherCAT не только полностью совместим с Ethernet, но также обладает уникальной особенностью открытого дизайна: он может сосуществовать с другими протоколами Ethernet, предоставляющими различные услуги, и все они сосуществуют на одном и том же физическом носителе — обычно с небольшим влиянием на общая производительность сети. Стандартные устройства Ethernet могут быть подключены к системе EtherCAT через терминал коммутатора, что не влияет на время цикла. Устройства, оснащенные традиционным интерфейсом полевой шины, можно интегрировать в сеть посредством подключения к главному терминалу полевой шины EtherCAT. Вариант протокола UDP позволяет интегрировать устройства в любой слот-интерфейс. EtherCAT — это полностью открытый протокол, признанный официальной спецификацией IEC (IEC/PAS62407).