přehled
EtherCAT je systém fieldbus založený na Ethernetu s otevřenou architekturou. CAT v EtherCAT je zkratka pro Control Automation Technology. Původně vyvinutý společností Beckhoff Automation GmbH v Německu. EtherCAT nastavuje nový standard pro výkon v reálném čase a topologickou flexibilitu, přičemž také vyhovuje nebo dokonce snižuje náklady na použití fieldbus. EtherCAT také nabízí vysoce přesnou synchronizaci zařízení, volitelnou kabelovou redundanci a protokol Functional Security Protocol (SIL3).
zásada
Existuje několik ethernetových řešení pro zajištění funkčnosti v reálném čase: například deaktivace procesu přístupu CSMA/CD prostřednictvím vyšší protokolové vrstvy a jeho nahrazení časovým úsekem nebo procedurou dotazování. Jiná schémata využívají privátní přepínače a distribuují ethernetové pakety s přesným časovým řízením. Přestože tato řešení dokážou doručovat pakety do připojených ethernetových uzlů poměrně rychle a přesně, využití šířky pásma je nízké, zejména u typických automatizačních zařízení, protože i pro velmi malá množství dat je nutné odeslat celý ethernetový rámec. Kromě toho doba potřebná k přesměrování na výstup nebo ovladač pohonu a ke čtení vstupních dat do značné míry závisí na režimu provádění. Často je nutné použít subbus, zejména v modulárních I/O systémech, které stejně jako Beckhoff K-bus zrychlují přenos přes synchronní sběrnicový systém, ale taková synchronizace se nevyhne zpožděním v přenosu komunikační sběrnice.
S EtherCAT byla společnost Beckhoff schopna překonat tato systémová omezení jiných ethernetových řešení: již nebylo nutné přijímat ethernetové pakety v každém bodě připojení, dekódovat je a kopírovat do procesních dat. Když rámce procházejí každým zařízením, včetně základního koncového zařízení, EtherCAT čte data z řadiče stanice, která jsou pro toto zařízení důležitá. Podobně lze vstupní data vkládat do zprávy při jejím průchodu. Po předání rámce (zpoždění pouze o několik bitů) podřízená stanice rozpozná příslušný příkaz a zpracuje jej. Tento proces je implementován prostřednictvím hardwaru v podřízeném řadiči, a je tedy nezávislý na výkonu systému nebo procesoru softwaru zásobníku protokolů v reálném čase. Poslední slave EtherCAT v segmentu sítě vrací plně zpracovanou zprávu, takže zpráva je vrácena jako odpověď od prvního slave zařízení master.
Z pohledu Ethernetu je segment sběrnice EtherCAT jednoduše velké ethernetové zařízení, které přijímá a odesílá ethernetové rámce. Toto „zařízení“ však neobsahuje jediný ethernetový řadič s downstream mikroprocesorem, ale pouze velké množství slave stanic EtherCAT. Stejně jako u jakéhokoli Ethernetu nepotřebuje EtherCAT k navázání komunikace přepínač, výsledkem je čistý systém EtherCAT.
výkon
EtherCAT dosahuje nové úrovně síťového výkonu. Obnovovací perioda 1000 distribuovaných I/O dat je pouze 30 μs, včetně doby cyklu terminálu. Prostřednictvím ethernetového rámce lze vyměňovat až 1486 bajtů procesních dat, což odpovídá téměř 12 000 digitálních objemů I/O. Toto množství dat lze přenést za pouhých 300 μs.
Komunikace se 100 servo hřídeli je pouze 100 μs. Během této doby mohou být všem osám poskytnuty hodnoty nastavení a řídicí data a může být hlášena jejich aktuální poloha a stav. Technologie distribuovaných hodin zajišťuje, že časová odchylka synchronizace mezi těmito osami je menší než 1 mikrosekunda.
Díky vynikajícímu výkonu technologie EtherCAT můžeme realizovat způsob řízení, který nelze realizovat tradičním systémem fieldbus. Tímto způsobem lze přes sběrnici vytvořit také regulační smyčky s velmi vysokou rychlostí. Funkce, které dříve vyžadovaly nativní podporu vyhrazeného hardwaru, lze nyní mapovat v softwaru. Obrovské zdroje šířky pásma umožňují přenášet stavová data paralelně s jakýmikoli daty. Technologie EtherCAT umožňuje, aby komunikační technologie odpovídaly moderním, vysoce výkonným průmyslovým PCS. Sběrnicový systém již není úzkým hrdlem pro řízení nápadů. Doručování dat v distribuovaných I/O překračuje výkon, kterého lze dosáhnout pouze pomocí lokálních I/O rozhraní.
Tato výhoda síťového výkonu je zřejmá u malých kontrolérů s relativně středním výpočetním výkonem. Vysokorychlostní smyčka EtherCAT, kterou lze provést mezi dvěma řídicími smyčkami. Proto má regulátor vždy k dispozici nejnovější vstupní data a zpoždění při adresování výstupu je minimální. Odezvu řídicí jednotky lze výrazně zlepšit, aniž by došlo ke zvýšení jejího vlastního výpočetního výkonu.
Principy EtherCAT jsou škálovatelné a neomezené na 100 megabitů šířky pásma – je možné škálovat až na gigabitový Ethernet.
EtherCAT nahrazuje PCI:
S urychlením vývoje miniaturizace PC komponent závisí objem průmyslových PC především na počtu potřebných slotů.
Použití vysokorychlostního ethernetového pásma a šířky datového pásma komunikačního hardwaru EtherCAT (podřízený řadič EtherCAT) otevřelo novou aplikační možnost: rozhraní běžně umístěná v IPC byla přenesena na inteligentní terminály rozhraní v systémech EtherCAT. Kromě distribuovaných I/O, os a řídicích jednotek mohou být prostřednictvím ethernetového portu na PC adresovány komplexní systémy, jako jsou master stanice fieldbus, vysokorychlostní sériová rozhraní, brány a další komunikační rozhraní. Přes terminály DVS lze připojit i další ethernetová zařízení bez omezení variant protokolu. Velikost mainframe průmyslového PC se zmenšuje, náklady se snižují, ethernetové rozhraní je dostatečné pro řešení všech komunikačních úkolů.
Pro integraci přes distribuovaný master terminál fieldbus použijte Ethernet místo zařízení PCI fieldbus (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i atd.). Nepoužití fieldbus masteru šetří PCI sloty v PC.
Sběrnicová topologie
Sběrnice, strom nebo hvězda: EtherCAT podporuje téměř všechny topologie. Struktura sběrnice odvozená od průmyslových sběrnic tak může být použita i pro Ethernet. Kombinace sběrnicových a odbočných struktur je zvláště užitečná pro systémové zapojení. Všechna rozhraní jsou umístěna na spojkách, což eliminuje potřebu dalších přepínačů. Samozřejmě můžete také použít tradiční hvězdicovou ethernetovou topologii založenou na přepínačích.
Použití různých přenosových kabelů může maximalizovat flexibilitu kabeláže. Flexibilní a levné standardní ethernetové zásuvné kabely mohou přenášet signály prostřednictvím režimu Ethernet (100baseTX) nebo prostřednictvím sběrnice E. Optická vlákna (Pfos) lze použít pro speciální aplikace. Šířku pásma Ethernet (jako jsou různé optické a měděné kabely) lze použít ve spojení s přepínači nebo konvertory médií. Fyzické vlastnosti Fast Ethernet umožňují, aby byla zařízení od sebe vzdálena 100 metrů, zatímco E-bus může být od sebe vzdálena pouze 10 metrů. Fast Ethernet nebo E-bus lze vybrat podle požadavků na vzdálenost. Systém EtherCAT pojme až 65535 zařízení, takže celková velikost sítě je téměř neomezená.
Topologii si můžete libovolně zvolit. Zapojení má největší flexibilitu: zda použít přepínač, je použití struktury topologie sběrnice nebo struktury topologie stromu, může být jakákoli kombinace volby. Automatické přidělování adres; Není nutné nastavovat IP adresu.
otevřenost
EtherCAT je nejen plně kompatibilní s Ethernetem, ale má také jedinečnou vlastnost otevřeného designu: může koexistovat s jinými ethernetovými protokoly, které poskytují různé služby, a všechny koexistovat na stejném fyzickém médiu – obvykle s pouze malým dopadem na celkový výkon sítě. Standardní ethernetová zařízení lze připojit k systému EtherCAT prostřednictvím přepínacího terminálu, což neovlivňuje doby cyklu. Zařízení vybavená tradičním rozhraním fieldbus lze integrovat do sítě prostřednictvím připojení k hlavnímu terminálu fieldbus EtherCAT. Varianta protokolu UDP umožňuje integraci zařízení do libovolného slotového rozhraní. EtherCAT je plně otevřený protokol, který byl uznán jako oficiální specifikace IEC (IEC/PAS62407).