áttekintés
Az EtherCAT egy Ethernet-alapú terepi buszrendszer, nyílt architektúrával. A CAT az EtherCAT-ben a Control Automation Technology rövidítése. Eredetileg a Beckhoff Automation GmbH fejlesztette ki Németországban. Az EtherCAT új mércét állít fel a valós idejű teljesítmény és a topológiai rugalmasság terén, miközben megfelel a terepi busz használatának, vagy akár csökkenti a költségeket. Az EtherCAT emellett nagy pontosságú eszközszinkronizálást, opcionális kábelredundanciát és funkcionális biztonsági protokollt (SIL3) is kínál.
elv
Számos Ethernet-megoldás létezik a valós idejű funkcionalitás biztosítására: például a CSMA/CD hozzáférési folyamat letiltása magasabb protokollrétegen keresztül, és időszelettel vagy lekérdezési eljárással való helyettesítése. Más sémák privát kapcsolókat használnak, és pontos idővezérléssel osztják el az Ethernet-csomagokat. Bár ezekkel a megoldásokkal viszonylag gyorsan és pontosan el lehet juttatni a csomagokat a csatlakoztatott Ethernet csomópontokhoz, a sávszélesség kihasználtsága alacsony, különösen a tipikus automatizálási eszközök esetében, mert nagyon kis adatmennyiség esetén is teljes Ethernet keretet kell küldeni. Ezenkívül a kimeneti vagy hajtásvezérlőre való átirányításhoz és a bemeneti adatok kiolvasásához szükséges idő nagyban függ a végrehajtási módtól. Gyakran szükség van albusz használatára, különösen a moduláris I/O rendszerekben, amelyek a Beckhoff K-buszhoz hasonlóan felgyorsítják az átvitelt egy szinkron buszrendszeren keresztül, de ez a szinkronizálás nem fogja elkerülni a kommunikációs busz átvitelének késését.
Az EtherCAT segítségével a Beckhoff képes volt felülkerekedni a többi Ethernet-megoldás rendszerkorlátozásán: többé nem kellett minden csatlakozási ponton Ethernet-csomagokat fogadni, dekódolni és folyamatadatokba másolni. Ahogy a keretek áthaladnak az egyes eszközökön, beleértve a mögöttes termináleszközt is, az EtherCAT beolvassa az állomásvezérlőből az adott eszköz számára fontos adatokat. Hasonlóképpen, a bemeneti adatok beilleszthetők az üzenetbe, amikor az áthalad. A keret átadása után (csak néhány bitet késleltetett), a slave állomás felismeri a vonatkozó parancsot és feldolgozza azt. Ez a folyamat a szolga vezérlő hardverén keresztül valósul meg, ezért független a valós idejű futó rendszertől vagy a protokollverem szoftverének processzorteljesítményétől. A hálózati szegmensben az utolsó EtherCAT slave egy teljesen feldolgozott üzenetet ad vissza, így az üzenet válaszüzenetként kerül vissza az első slavetől a masterhez.
Ethernet szempontból az EtherCAT buszszegmens egyszerűen egy nagy Ethernet-eszköz, amely Ethernet kereteket fogad és küld. Ez az "eszköz" azonban nem egyetlen Ethernet vezérlőt tartalmaz, amelyhez egy downstream mikroprocesszor tartozik, hanem csak nagyszámú EtherCAT slave állomást. Mint minden Ethernet esetében, az EtherCAT-nél sincs szükség kapcsolóra a kommunikáció létrehozásához, ami egy tiszta EtherCAT rendszert eredményez.
teljesítmény
Az EtherCAT a hálózati teljesítmény új szintjét éri el. Az 1000 elosztott I/O adatok frissítési periódusa mindössze 30 μs, beleértve a terminálciklus idejét is. Egy Ethernet kereten keresztül akár 1486 bájtnyi folyamatadat is kicserélhető, ami közel 12 000 digitális I/O kötetnek felel meg. Ez az adatmennyiség mindössze 300 μs alatt továbbítható.
A kommunikáció 100 szervotengellyel mindössze 100 μs. Ezalatt az összes tengelyre beállíthatók a beállítási értékek és a vezérlési adatok, és ezek tényleges helyzete és állapota jelenthető. Az elosztott óra technológia biztosítja, hogy a szinkronizálási idő eltérése ezen tengelyek között 1 mikroszekundumnál kisebb legyen.
Az EtherCAT technológia kiváló teljesítményével olyan vezérlési módot valósíthatunk meg, amely a hagyományos terepibusz-rendszerrel nem valósítható meg. Ily módon a buszon keresztül ultranagy sebességű szabályozó hurkok is kialakíthatók. Azok a funkciók, amelyek korábban natív dedikált hardver támogatást igényeltek, most szoftveresen leképezhetők. A hatalmas sávszélességű erőforrások lehetővé teszik az állapotadatok bármilyen adattal párhuzamos továbbítását. Az EtherCAT technológia lehetővé teszi, hogy a kommunikációs technológia megfeleljen a modern, nagy teljesítményű ipari PCS-eknek. A buszrendszer már nem jelenti az ötletek irányításának szűk keresztmetszetét. Az elosztott I/O adatszolgáltatás meghaladja a csak helyi I/O interfészek által elérhető teljesítményt.
Ez a hálózati teljesítmény-előny nyilvánvaló a viszonylag mérsékelt számítási teljesítménnyel rendelkező kis vezérlőkben. Az EtherCAT nagysebességű hurokja, amely két vezérlőkör között hajtható végre. Ezért a vezérlő mindig a legfrissebb bemeneti adatokkal rendelkezik, és a kimeneti címzési késleltetés minimális. A vezérlő reagálási viselkedése jelentősen javítható saját számítási teljesítményének növelése nélkül.
Az EtherCAT alapelvei skálázhatók, és nem korlátozódnak 100 megabites sávszélességre – lehetőség van a gigabites Ethernetre skálázásra.
Az EtherCAT leváltja a PCI-t:
A PC-komponensek miniatürizálásának fejlődésének felgyorsulásával az ipari PC-k mennyisége elsősorban a szükséges slotok számától függ.
A nagy sebességű Ethernet sávszélesség és az EtherCAT kommunikációs hardver (EtherCAT slave vezérlő) adatsávszélesség alkalmazása új alkalmazási lehetőséget nyitott meg: az általában IPC-ben található interfészek az EtherCAT rendszerek intelligens interfész termináljaira kerültek át. Az elosztott I/O, tengelyek és vezérlőegységek mellett összetett rendszerek, például terepibusz-mesterállomások, nagy sebességű soros interfészek, átjárók és egyéb kommunikációs interfészek is megszólíthatók a PC Ethernet-portján keresztül. Még más, protokollváltozat-korlátozás nélküli Ethernet-eszközök is csatlakoztathatók a DVS-terminálokon keresztül. Egyre kisebb az ipari PC nagyszámítógép mérete, a költségek is csökkennek, egy Ethernet interfész is elegendő minden kommunikációs feladat elvégzésére.
Használjon Ethernetet a PCI terepi busz eszközök (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i stb.) helyett az elosztott terepi busz master terminálon keresztüli integrációhoz. Ha nem használja a terepibusz-mastert, a PCI bővítőhelyeket menti a számítógépen.
Busz topológia
Busz, fa vagy csillag: Az EtherCAT szinte minden topológiát támogat. Így a terepi buszokból származó buszstruktúra Ethernet számára is használható. A busz- és ágszerkezetek kombinációja különösen hasznos a rendszer huzalozásánál. Minden interfész csatolókon található, így nincs szükség további kapcsolókra. Természetesen használhatjuk a hagyományos switch-alapú csillag Ethernet topológiát is.
A különböző átviteli kábelek használata maximalizálhatja a vezetékek rugalmasságát. A rugalmas és olcsó szabványos Ethernet dugaszolható kábelek Ethernet módban (100baseTX) vagy E buszon keresztül tudnak jeleket továbbítani. Az optikai szálak (Pfos) speciális alkalmazásokhoz használhatók. Az Ethernet sávszélesség (például különböző optikai és rézkábelek) kapcsolókkal vagy médiakonverterekkel együtt használható. A Fast Ethernet fizikai jellemzői lehetővé teszik, hogy az eszközök 100 méterre legyenek egymástól, míg az E-bus csak 10 méterrel lehet egymástól. A távolsági követelményeknek megfelelően Fast Ethernet vagy E-bus választható. Az EtherCAT rendszer akár 65535 eszköz befogadására is képes, így a teljes hálózat mérete szinte korlátlan.
A topológia szabadon választható. A huzalozás a legnagyobb rugalmassággal rendelkezik: a kapcsoló használata, a busz topológia szerkezete vagy a fa topológia szerkezete bármilyen kombinációja lehet. automatikus címkiosztás; Nem kell IP-címet beállítani.
nyitottság
Az EtherCAT nemcsak teljesen kompatibilis az Ethernettel, hanem egyedülálló nyitott tervezési funkcióval is rendelkezik: együtt tud működni más Ethernet protokollokkal, amelyek különféle szolgáltatásokat nyújtanak, és mindegyik ugyanazon a fizikai adathordozón létezik - általában csak kis hatással általános hálózati teljesítmény. A szabványos Ethernet eszközök a kapcsoló terminálon keresztül csatlakoztathatók EtherCAT rendszerhez, ami nem befolyásolja a ciklusidőt. A hagyományos terepibusz-interfésszel felszerelt eszközök az EtherCAT terepibusz-master terminálhoz való csatlakozáson keresztül integrálhatók a hálózatba. Az UDP protokollváltozat lehetővé teszi az eszközök integrálását bármilyen slot interfészbe. Az EtherCAT egy teljesen nyitott protokoll, amelyet hivatalos IEC-specifikációként ismernek el (IEC/PAS62407).