Кіріспе

Ethernet-ге негізделген өрістік автобус жүйесі EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) - Beckhoff Automation компаниясы әзірлеген Ethernet-ге негізделген өрістік автобус жүйесі. Протокол IEC 61158 стандартына сәйкес стандартталған және автоматтандыру технологиясындағы қатты және жұмсақ нақты уақыт есептеу талаптарына сәйкес келеді. EtherCAT-ті әзірлеу кезінде мақсат - қысқа уақытқа (мысалы, цикл уақытына; ≤ 100 мкм) және аз байланыс шырылдауына (тез синхрондау үшін; ≤ 1 мкм) және аппараттық шығындарды төмендетуге қажетті автоматтандыру үшін Ethernet-ті қолдану. EtherCAT-тың типтік қолдану салалары машиналарды басқару (мысалы, жартылай өткізгіш құралдар, металл пішіндеу, таңу, инъекциялық қалыптау, құрастыру жүйелері, баспа машиналары, робототехника). Темір жол индустриясында қолданылатын қашықтан басқарылатын дөңгелекті аула құрылғылары. Өнеркәсіптік ортада желіге қосудың баламалы технологиялары - EtherNet/IP, Profinet және Profibus.

Хаттама

EtherCAT протоколы процесстік деректер үшін оңтайландырылған және 0x88a4 Ethertype пайдалану арқылы тікелей стандартты IEEE 802.3 Ethernet фреймінде тасымалданады. Ол бірнеше субтелеграммалардан тұрады, олардың әрқайсысы логикалық процестердің белгілі бір жады аймағын қамтамасыз етеді, олардың көлемі 4 гигабайтқа дейін болуы мүмкін. Деректер реті желідегі түйіндердің физикалық ретіне тәуелсіз; адрестеу кез келген реттілікте болуы мүмкін. Тарату, көп тарату және құлдар арасындағы байланыс мүмкін, бірақ оны бас құрылғы бастауы керек. Егер IP маршруттауы қажет болса, EtherCAT протоколын UDP/IP датаграммаларына енгізуге болады. Бұл сонымен қатар Ethernet протоколымен кез келген басқаруды EtherCAT жүйелеріне сілтеме жасауға мүмкіндік береді.

Өнер көрсету

Қысқа циклдік уақытқа қол жеткізуге болады, өйткені құл құрылғылардағы хост микропроцессорлары процесс бейнелерін беру үшін Ethernet пакеттерін өңдеуге қатыспайды. Барлық процестердегі деректер байланысы slave контроллерлік аппараттық құралында жүргізіледі. Функционалдық принциппен біріктірілгенде, бұл EtherCAT-ті жоғары өнімділіктегі бөлінген I / O жүйесіне айналдырады: 1000 бөлінген цифрлық I / O-мен деректерді алмасу процесі шамамен 30 мкс алады, бұл 100 Мбит / с Ethernet арқылы 125 байтты беру үшін әдеттегідей. 100 серво оське және одан алынған деректерді 10 кГц-қа дейін жаңартуға болады. Әдетте желі жаңарту жылдамдығы 130 кГц, бірақ егер DMA жүктемесі тым жоғары болса, EtherCAT цикл уақытын баяулата алады. Тораптық кеңістікті пайдалану барынша жоғарылатылады, өйткені әрбір түйін мен әрбір дерек жеке фреймді қажет етпейді. Осылайша, 100 мкс-тан кем емес өте қысқа цикл уақытына қол жеткізуге болады. 100BASE TX толық дуплекс мүмкіндіктерін пайдалану арқылы 100 Мбит/с-тан астам тиімді деректерді беру жылдамдығына (> 90% пайдаланушы деректерінің жылдамдығы 2x100 Мбит/с) қол жеткізуге болады. EtherCAT технологиясының принципі масштабтауға қабілетті және 100 Мбит/с-қа байланысты емес. EtherCAT G және 10G стандартты EtherCAT-тың жаңа кеңейтулері болып табылады, олар IIoT және 4.0 индустриясының қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін айтарлықтай ұлғайтылған жолақтықты тиісінше 1 гигабит / с және 10 гигабит / с пайдаланады.

Топология

Толық дуплексті Ethernet физикалық қабаттарын пайдалана отырып, EtherCAT slave контроллерлері ашық портты автоматты түрде жабады және егер төменгі ағыстағы құрылғы байқалмаса, Ethernet фреймін қайтарады. Құл құрылғыларда бір, екі немесе одан да көп порт болуы мүмкін. Осы мүмкіндіктерге байланысты EtherCAT желілік топологиялардың көп түрін, соның ішінде сызық, ағаш, сақина, жұлдыз немесе олардың кез келген комбинациясын іске асырады. Сондай-ақ, протокол көптеген байланыс мүмкіндіктерін қамтамасыз етеді, мысалы, кабельді артық, сегменттерді ыстық қосылу, жұмыс кезінде құрылғыларды ауыстыру немесе тіпті ыстық күту режимімен шеберлік артық. Осылайша топологияның әртүрлілігі мен әртүрлі желілік архитектуралардың бірігуі, мысалы, жүйелі синхрондаумен қосалқы немесе көршілес басқару жүйелері көптеген мүмкіндіктерді береді. Қосымша қосқыштар қажет емес. Ethernet физикасы екі түйін арасында 100 м (300 фут) дейін кабель ұзындығына мүмкіндік береді, сондықтан E шинасы (LVDS) модульді құрылғылар үшін физикалық қабат ретінде пайдалануға арналған. Әрбір кабель жолы үшін сигнал нұсқасын жеке таңдауға болады. Үлкен арақашықтықтар үшін немесе екі құлдың арасындағы толық гальваникалық оқшаулау үшін оптикалық талшықты кабельдер қолданылады. Бір реттік талшықты қолдану арқылы екі торап арасындағы 20 км арақашықтықты өтеуге болады. Бір желі сегментіне 65535 түйін қосылуы мүмкін болғандықтан, желі кеңейтілуі шексіз.

Қадамдастыру

Синхрондау үшін бөлінген сағаттық механизм қолданылады, бұл өте төмен дүүлдетуге әкеледі, тіпті байланыс циклы дүүлдесе де, 1 мкс-тан аз, бұл IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) стандартына тең. Сондықтан, EtherCAT негізгі құрылғыда арнайы аппаратты талап етпейді және кез-келген стандартты Ethernet MAC-те бағдарламалық жасақтамада, тіпті арнайы байланыс копроцессорысыз да іске асырылуы мүмкін. Таратылған сағатты орнатудың әдеттегі процесін қожайыны белгілі бір мекенжайға барлық құлдарға хабар жіберу арқылы бастайды. Бұл хабарды алғаннан кейін барлық құлдар ішкі сағаттың мәнін екі рет, бір рет хабарды алған кезде және бір рет қайтып келген кезде (EtherCAT-тің сақиналық топологиясы бар екенін есте сақтаңыз) бекітеді. Содан кейін қожайыны барлық құлыпталған мәндерді оқып, әрбір құлдың кідірісін есептей алады. Бұл процесті дрейп-дрейп және орташа мәндерді азайту үшін қажет болғанша бірнеше рет қайталауға болады. Ұзақтықтың жалпы мөлшері әрбір құл үшін құлдар шеңберіндегі олардың орнына байланысты есептеледі және офсеттік тіркелімге жүктеледі. Соңында, қожайыны жүйелік сағатта хабар таратуды шығарады, бұл бірінші құлды эталондық сағатқа айналдырады және барлық басқа құлдарды ішкі сағаттарын қазір белгілі ауытқумен сәйкес орнатуға мәжбүр етеді. Сағаттарды инициализациялаудан кейін синхронды ұстау үшін, әр құлдың ішкі сағаттары арасындағы жылдамдық айырмашылығының кез келген әсеріне қарсы тұру үшін, бас немесе құл хабарды үнемі қайта жіберуі керек. Әрбір құл өзінің ішкі сағатының жылдамдығын өзгертуі немесе түзету керек болған кезде ішкі түзету механизмін енгізуі керек. Жүйелік сағаты 64 битті санағыш ретінде 1ns базалық бірлігімен 2000 жылдың 1 қаңтарынан бастап 0:00-ден бастап келтірілген.

Диагностика

Тоқырауларды тез және дәл анықтау - EtherCAT-тің көптеген диагностикалық ерекшеліктерінің бірі. Кестелеу кезінде бит қателері CRC тексеру қосындысының талдауы арқылы сенімді түрде анықталады: 32 бит CRC полиномиалының ең аз Хамминг қашықтығы 4. Қателерді анықтау және локализациялау протоколынан басқа, EtherCAT жүйесінің физикасы мен топологиясы әрбір жеке тарату жолының сапасын жеке бақылауға мүмкіндік береді. Қателік есептегіштердің автоматтандырылған талдауы желідегі маңызды сегменттерді дәл анықтауға мүмкіндік береді. Қосымша ақпарат "Мониторинг" тарауында беріледі.

Құрылғы профильдері

Құрылғы профильдері құрылғылардың, оның ішінде құрылғыға тән күй машиналарының қолдану параметрлері мен функционалдық мінез-құлқын сипаттайды. Қолданыстағы құрылғы профильдері үшін келесі бағдарламалық интерфейстер ұсынылады. Осылайша, EtherCAT-қа көшіру, бағдарламалық жасақтама мен аппаратты түзету арқылы айтарлықтай жеңілдетіледі.

CAN қолданба протоколы EtherCAT арқылы (CoE)

CANopen құрылғылары мен қолданбалық профильдері құрылғылар мен қолданбалардың кең спектрі үшін қол жетімді: I/O модульдері, дисктер (мысалы, IEC 61800 7 201/301 ретінде стандартталған CiA 402 диск профилі), кодтаушылар (CiA 406), пропорционалдық клапандар, гидравликалық басқарушылар (CiA 408) немесе қолданбалық профильдер. Бұл жағдайда EtherCAT CAN орнын алады.

EtherCAT арқылы серводrive-профилі (SoE)

SERCOS интерфейсі - бұл қозғалыс басқару қолданбалары үшін идеалдық нақты уақыт байланысы интерфейсі. Сервоприводтар мен байланыс технологиясы үшін SERCOS профилі IEC 61800 стандартына сәйкес стандартталған. Бұл стандартта SERCOS сервопривод профилін EtherCAT-ке сәйкестендіру (IEC 61800 7 304) де бар.

Ethernet арқылы EtherCAT (EoE)

Кез келген Ethernet құрылғысын EtherCAT сегментіне коммутатор порттары арқылы қосуға болады. Ethernet фреймдері EtherCAT протоколы арқылы туннельдейді, бұл интернет протоколдары үшін қалыпты жағдай (мысалы, TCP/IP, VPN, PPPoE (DSL) және т.б.). EtherCAT желісі Ethernet құрылғылары үшін толықтай мөлдір және EtherCAT-тің нақты уақыт функциялары бұзылмайды.

EtherCAT-тегі қауіпсіздік (FSoE)

EtherCAT-ті әзірлеумен қатар, өрістік автобустан тәуелсіз қауіпсіздік протоколы әзірленді. EtherCAT үшін ол "EtherCAT арқылы қауіпсіздік" (FSoE = EtherCAT арқылы қауіпсіз сәтсіздік) ретінде қол жетімді. FSoE көмегімен EtherCAT-пен функционалдық қауіпсіздікті іске асыру мүмкін. Хаттама мен оны іске асыру TÜV сертификаттандырылған және IEC 61508 стандартына сәйкес 3-деңгейлі қауіпсіздік тұтастығы талаптарына сәйкес келеді. 2010 жылдан бастап EtherCAT-пен қауіпсіздік халықаралық стандартқа IEC 61784 3 12 сәйкес стандартталған. EtherCAT қауіпсіз және қауіпсіз емес ақпаратты беру үшін бір арналы байланыс жүйесін ұсынады. Тасымалдау құралы қара арна ретінде қарастырылады, сондықтан қауіпсіздік мәселесіне кірмейді.

EtherCAT (FoE) арқылы файл

Бұл қарапайым протокол TFTP (Trivial File Transfer Protocol) протоколына ұқсас; ол құрылғыдағы файлдарға қол жеткізуді және EtherCAT желісі арқылы құрылғыларға бірыңғай тұрақтандыру жүктеуді қамтамасыз етеді. Протокол қасақана таза түрде келтірілген, сондықтан оны жүктеуші бағдарламалары қолдауы мүмкін. TCP/IP стегі қажет емес.

Бақылау

EtherCAT стандартты Ethernet фреймдерін IEEE 802.3 стандартына сәйкес пайдаланатындықтан, кез келген стандартты Ethernet құралын EtherCAT байланысын бақылау үшін пайдалануға болады. Сонымен қатар, Wireshark (бұрынғы Ethereal, ашық бастапқы көзді бақылау құралы) және Microsoft желілік мониторы үшін тегін талдау бағдарламалық жасақтамасы бар, олармен EtherCAT деректерінің трафигін ыңғайлы түрде дайындап, көрсетуге болады.

Қақпалар

Есіктерді пайдалану арқылы CANopen, DeviceNet немесе Profibus сияқты қолданыстағы желілерді EtherCAT ортасына бірқалыпты түрде қосуға болады. Сонымен қатар, шлюздер дәстүрлі далалық автобустан EtherCAT-қа сапарсыз көшіру жолын қамтамасыз етеді, бұл инвестиция шығындарын одан әрі азайтады. EtherCAT-тің қызметі арқасында сыртқы өрістік шиналармен байланыс PCI немесе басқа магистральдық шиналар арқылы қосылған дәстүрлі карталармен жылдам болады. Орталықтандырылмаған өріс автобустары қысқа кеңейтулерге әкелетіндіктен, оларды дәстүрлі архитектураға қарағанда тіпті жоғары бадтық жылдамдықпен жұмыс істеуге болады.

Іске асыру

EtherCAT Technology Group (ETG) EtherCAT өнімдерін әзірлеуші компанияларды ETG-ге қосылуға шақырады және күтеді, сондықтан олар EtherCAT жеткізушісінің идентификаторын алады, толық құжаттамаға, әзірлеушілер форумына және Beckhoff-тің ETG мүшелеріне тегін беретін құл стек кодына қол жеткізе алады.

Қожайыны

Мастерлерді кез келген Ethernet MAC-те бағдарламалық шешім ретінде іске асыруға болады. Әр түрлі өндірушілер әр түрлі операциялық жүйелер үшін кодты ұсынады, соның ішінде бірнеше ашық бастапқы кодты жобалар. Құл аппараттық құрылғыда көшірілген карталаудың арқасында, шебердің CPU өнімділігі үшін талаптар азаяды. Басты файл деректерді оңай сұрыпталатын процесс кескінінде қамтиды. Желіде жұмыс істеу үшін EtherCAT мастеріне циклдік процесс деректерінің құрылымы мен әрбір құл құрылғы үшін жүктеу командалары қажет. Бұл командаларды EtherCAT конфигурациялық құралының көмегімен EtherCAT желілік ақпарат (ENI) файлына экспорттауға болады, ол қосылған құрылғылардан EtherCAT Slave Information (ESI) файлдарын пайдаланады.

Құл

Стандартты Ethernet-тің жұмысына қарама-қайшы, құлдар EtherCAT фреймдерін ұшып-қонып өңдейді. Бұл үшін құлдарда аппараттық интеграцияланған EtherCAT құл контроллерлерін (ESC) қолдану қажет. ESC-тер ASIC ретінде немесе FPGA-ға негізделген түрде де қол жетімді. 2012 жылдың басынан бастап стандартты микропроцессорлар EtherCAT slave интерфейстерімен де қол жетімді. Қарапайым құрылғылар үшін қосымша микробасқарушы қажет емес. Алайда, күрделі құрылғыларда EtherCAT-тың байланыс қызметі қолданылатын контроллердің қызметіне тәуелсіз. Осылайша микробасқарушыға қойылатын талаптар жергілікті қолданбамен анықталады, мысалы, қозғалтқышты басқару. EtherCAT Slave Controller жеткізушілерінің және үшінші тараптардың әзірлеу тақталарын таңдау мүмкіндігі бар. Сондай-ақ SOES және ArduCAT сияқты EtherCAT құл құрылғыларын әзірлеу тақталары үшін ашық бастапқы кодты жобалар бар.

Бақылау және реттеу

Физикалық процестерді бақылау және реттеу үшін жоғары деңгейдегі деректердің тұтастығы, деректердің қауіпсіздігі және синхрондылығы қажет. EtherCAT осы түрдегі қолданбалар үшін арнайы жасалған және жылдам басқарудың барлық талаптарын қанағаттандырады.

Өлшеу жүйелері

Қазіргі заманғы өлшеу жүйелері көп арналы, синхронды және дәлдікпен сипатталады. EtherCAT протоколының озық мүмкіндіктері арқасында тиімді синхронды деректерді өткізу қамтамасыз етіледі. Ethernet желісі бойынша құрылған желілік мүмкіндіктер өлшеу модульдерімен бөлінетін өлшеу желісін құруға мүмкіндік береді.

Ұйым

EtherCAT Technology Group (ETG) 2003 жылы құрылды және қазіргі таңда әлемдегі ең көп мүшелері бар өнеркәсіптік Ethernet пайдаланушы ұйымы болып табылады. ETG мүшелерінің тізімін бүкіл әлемдегі өнеркәсіптік басқару өнімдерін жеткізушілер, OEM, машина жасаушылар және технологиялық ұйымдар құрайды. ETG өз мүшелеріне іске асыруды қолдау мен оқытуды ұсынады, өзара әрекеттесуді сынауларды (көбінесе "Плаг-фестивальдер" деп аталады) ұйымдастырады және технологияны дамыту мен таратуды қолдайды, оны мүшелері мен Германия, Қытай, Жапония, Корея және Солтүстік Америкадағы кеңселерде жұмыс істейтін командалар қолдайды. ETG-нің соңғы пайдаланушылары көптеген салаларды қамтиды, машина жасаушылар мен қуатты басқару технологиясын жеткізушілер EtherCAT технологиясын қолдау және насихаттау үшін күш біріктіреді. Өндірістің әртүрлілігі EtherCAT-ті барынша кең ауқымды қолдануға оңтайлы дайындауды қамтамасыз етеді. Жүйелік серіктестер барлық қажетті жабдық сыныптарына аппараттық және бағдарламалық модульдерді қарапайым интеграциялау үшін білікті пікір береді. ETG мүше компанияларының көмегімен әзірленген EtherCAT сәйкестікті сынау құралы (CTT) EtherCAT құрылғыларының өзара іс-қимылын және протоколды сәйкестігін қамтамасыз етеді.

Стандарттау

EtherCAT Technology Group (ETG) - цифрлық байланыс бойынша IEC (Халықаралық электротехникалық комиссия) жұмыс топтарының ресми байланыс серіктесі. EtherCAT спецификациясы 2005 жылы IEC/PAS 62407 болып жарияланды, ол 2007 жылдың соңында алынып тасталды, өйткені EtherCAT халықаралық IEC 61158 және IEC 61784 2 далалық автобус стандарттарына, сондай-ақ IEC 61800 7 қозғалтқыш профиль стандартына біріктірілді. Бұл IEC стандарттары 2007 жылдың қыркүйек пен қазан айларында бірауыздан мақұлданды және сол жылдың соңында IS (халықаралық стандарттар) болып жарияланды. IEC 61800 7 стандартында EtherCAT - SERCOS және CANopen диск профильдері үшін стандартталған байланыс технологиясы (сонымен қатар CiA 402 деп аталады). EtherCAT сонымен қатар ISO 15745 4 стандартының бөлігі болып табылады, ол XML құрылғысының сипаттамасына арналған стандарт. Бұдан басқа, SEMI EtherCAT-ті стандарттар портфеліне (E54.20) қосты және технологияны жартылай өткізгіш және жалпақ панельді дисплейлерді өндіру жабдықтарында пайдалануға мақұлдады. 2010 жылдың сәуірінде IEC 61784 3 2-шы басылымы қабылданды, онда EtherCAT протоколынан қауіпсіздік бар. 2008 жылдың қыркүйегінде EtherCAT қондырғысының профилі IEC 61784 5 стандартына тапсырылды.