Оглавление:
Метод взаимодействия данных — «на лету»
«Как «молодой» протокол связи, EtherCAT занял свое место в области промышленной связи благодаря своей высокой производительности, простоте подключения и открытости. Давайте кратко представим EtherCAT».
Что такое EtherCAT
EtherCAT (Ethernet для технологии автоматизации управления) — это сеть Ethernet реального времени, разработанная компанией Beckhoff в 2003 году. Открытый стандарт теперь управляется Технологической группой EtherCAT (ETG), членом которой является TRINAMIC Motion Control. Исходный код Beckhoff остался неизменным, позволяя устройствам взаимодействовать друг с другом по принципу «главный/подчиненный», что позволяет создавать быстрые и динамичные структуры связи. Поскольку данные используют тот же формат, что и Ethernet, можно подключиться напрямую к Ethernet. Никакого специального маршрутизатора или коммутатора не требуется.
Разработка EtherCAT
Будучи коммуникационной технологией, которая монополизирует офисную сферу, технология Ethernet добилась большого прогресса в повседневной информационной жизни и различных сферах бизнеса благодаря своей универсальности, низкой стоимости, высокой эффективности, высокой надежности и стабильности. Хотя у него так много преимуществ, его применение в области автоматизации имеет фатальный недостаток: невозможно гарантировать производительность в реальном времени. При автоматическом управлении объем данных, передаваемых между устройствами, часто невелик, а только чтение и запись некоторых значений переключения или некоторых значений регистров. Однако требования к задержке данных часто очень высоки, например, при чтении текущей позиции. Если задержка слишком велика, считанные данные часто сильно отклоняются от текущего положения. Поскольку Ethernet использует механизм управления доступом к среде передачи данных CSMA/CD, построить сеть управления в реальном времени сложно.
EtherCAT основан на стандартном физическом уровне Ethernet. Чтобы получить более высокую производительность в реальном времени, он преобразуется на уровне канала передачи данных. Характеристики управления 100 осями в реальном времени могут составлять менее 100 нс, а точность синхронизации — менее 100 нс.
Топология шины EtherCAT
EtherCAT может поддерживать все топологии подключения устройств, такие как линейная, древовидная, кольцевая и звездообразная, а физической средой может быть стандартный Ethernet-кабель 100Base-TX или оптический кабель. При использовании кабеля 100Base-TX расстояние между станциями может достигать 100 метров. Вся сеть может подключить до 65535 устройств. Технология полнодуплексной связи Fast Ethernet используется для формирования кольцевой структуры «ведущий-подчиненный».
Метод взаимодействия данных — «на лету»
Механизм передачи EtherCAT называется «На лету». Если представить сообщение EtherCAT в виде поезда, то каждый вагон с подчиненным адресом соответствует подсообщению подчиненной станции, которой необходимо обменяться данными с главной станцией. Читать/ записать данные подчиненной станции, затем появится место, соответствующее адресу данных. Поезд отправляется с главного вокзала и останавливается на всех станциях (ведомых станциях) по маршруту.Если нет вагона(подтелеграммы) со своим адресом устройства, то поезд будет отправлен на следующую станцию.Если у него есть свой собственный вагон, он будет ждать посадки и выхода пассажиров из вагона.После завершения (данных) поезд отправляется на следующую станцию.После прибытия на конечную станцию он возвращается на станцию отправления.Нет данных. обменивается в процессе возврата.
Подчиненное устройство EtherCAT имеет как минимум два интерфейса Ethernet, и данные пересылаются с одного сетевого порта на другой.
Возможности EtherCAT
Высокоскоростное взаимодействие данных
Обработка протокола EtherCAT полностью выполняется аппаратно, а ASIC протокола можно гибко настраивать, что значительно повышает эффективность работы. Цикл обновления 1000 данных распределенного ввода-вывода составляет всего 30 мкс, включая время цикла терминала. Связь со 100 сервоосями занимает всего 100 мкс. В течение этого времени всем осям могут быть предоставлены значения настроек и управляющие данные, а также сообщено их фактическое положение и статус.
Распределенные часы (функция реального времени)
Точная синхронизация особенно важна в распределенных процессах, которые требуют широкого спектра одновременных действий, например, когда несколько сервоосей одновременно выполняют задачи соединения.
Горячее соединение
Многие приложения требуют изменения конфигурации ввода-вывода во время работы. Например, обрабатывающие центры с изменяемыми характеристиками, инструментальные системы, оснащенные датчиками, интеллектуальное транспортное оборудование, гибкие приводы для заготовок и печатные машины, которые могут индивидуально отключать печатную секцию. Система EtherCAT учитывает эти потребности: функция «горячего соединения» позволяет соединять различные части сети вместе или отключать ее, или переконфигурировать «на лету», обеспечивая таким образом гибкую реакцию на изменение конфигурации.
Дополнительное резервирование кабеля
Дополнительное резервирование кабелей удовлетворяет растущую потребность в повышении доступности системы, поэтому оборудование можно заменить без отключения сети. EtherCAT также поддерживает резервные ведущие устройства с функцией горячего резервирования. Поскольку ведомый контроллер EtherCAT автоматически возвращает кадры, как только обнаруживается прерывание, сбой устройства не приводит к отключению всей сети. Например, буксирные цепи для защиты кабеля могут быть специально выполнены в виде коротких стержней для защиты от обрывов проводов.
открытость
Технология EtherCAT не только полностью совместима с Ethernet, но и обладает особой конструктивной особенностью открытости: протокол может сосуществовать с другими протоколами Ethernet, предоставляющими различные услуги, и все протоколы сосуществуют на одной и той же физической среде — обычно только для на общую производительность сети. Стандартные устройства Ethernet можно подключить к системе EtherCAT через клеммы переключателя, что не влияет на время цикла. Устройства, оснащенные обычными интерфейсами полевой шины, можно интегрировать в сеть посредством подключения к главным терминалам полевой шины EtherCAT. Варианты протокола UDP позволяют интегрировать устройства в любой интерфейс сокета. EtherCAT — это полностью открытый протокол, признанный официальной спецификацией IEC (IEC/PAS62407).
Разница между EtherCAT и традиционным Ethernet
Чтобы понять разницу между EtherCAT и традиционным Ethernet, необходимо понять концепцию многоуровневого распределения сетевых протоколов. Сетевые протоколы обычно разрабатываются на разных уровнях, причем каждый уровень отвечает за разные функции связи. Кластер протоколов, например TCP/IP, представляет собой комбинацию нескольких протоколов на разных уровнях. В компьютерных сетях обычно используются четырехуровневый протокол TCP/IP и семиуровневый протокол OSI. Четырехуровневый протокол на самом деле является упрощением семиуровневого протокола.
Протокол OSI разделен на семь уровней:
1) Физический уровень: это самый нижний уровень модели OSI компьютерной сети. Роль физического уровня заключается в обеспечении возможности передачи исходных данных на различных физических носителях. Физический уровень должен максимально защищать физическое оборудование и средства передачи, а также различные методы связи, чтобы уровень канала передачи данных не мог чувствовать эти различия и рассматривал только завершение протоколов и услуг этого уровня. Другими словами, независимо от того, какой тип линии или интерфейса используется, после прохождения физического уровня уровень канала передачи данных видит высокий и низкий уровни.
2) Уровень канала передачи данных: Уровень канала передачи данных определяет, как передавать данные по одному каналу. Основная функция заключается в предоставлении прозрачных и надежных базовых услуг передачи данных пользователям этого уровня. Прозрачный означает, что уровень канала передачи данных не учитывает значение битового потока, а надежный означает, что уровень канала передачи данных будет использовать кодирование кадров и управление коррекцией ошибок для обработки потока битов (см. «Принципы связи»).
3) Сетевой уровень: обрабатывает действия пакетов в сети, например маршрутизацию пакетов.
4) Транспортный уровень: реализует сквозную связь для приложений на двух хостах. В наборе протоколов TCP/IP TCP обеспечивает высоконадежную передачу данных между двумя хостами.Он разделяет данные, передаваемые ему приложением, на соответствующие небольшие фрагменты, передает их на нижележащий сетевой уровень, подтверждает полученные пакеты и устанавливает Тайм-аут для отправки пакета окончательного подтверждения и т. д. TCP обеспечивает высокую надежность сквозной связи, UDP обеспечивает очень простой сервис для прикладного уровня. Он просто отправляет пакеты, называемые датаграммами, с одного хоста на другой хост, но нет никакой гарантии, что дейтаграмма сможет достичь другого конца.Любая необходимая надежность обеспечивается прикладным уровнем.
5) Сеансовый уровень. Сеансовый уровень построен на транспортном уровне и использует услуги, предоставляемые транспортным уровнем, чтобы позволить приложениям устанавливать и поддерживать сеансы, а также синхронизировать сеансы.
6) Уровень представления. Основная функция уровня представления — предоставить общий язык для гетерогенной машинной связи, чтобы обеспечить функциональную совместимость. В разных компьютерных архитектурах используются разные методы представления данных, а уровень представления решает все проблемы, связанные с представлением и транспортировкой данных, включая преобразование, шифрование и сжатие. Каждый компьютер может иметь свой собственный внутренний способ представления данных, например, ASCII или EBCDIC, поэтому необходим протокол уровня представления, чтобы гарантировать, что разные компьютеры могут понимать друг друга.
7) Прикладной уровень. Прикладной уровень отвечает за обработку конкретных деталей приложения.
Разница между EtherCAT и традиционным Ethernet заключается в физическом уровне, уровне канала передачи данных и сетевом уровне. В то же время EtherCAT поддерживает несколько протоколов прикладного уровня, таких как протокол COE, протокол SOE и т. д.
Статьи по Теме:
Узнайте, почему EtherCAT является ведущей в мире системой промышленной связи