Введение
Система полевой шины Ethernet EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) - это система полевой шины Ethernet, разработанная Beckhoff Automation. Протокол стандартизован в IEC 61158 и подходит как для твердых, так и для мягких вычислений в режиме реального времени в автоматизации. Целью при разработке EtherCAT было применение Ethernet для приложений автоматизации, требующих короткого времени обновления данных (также называемого циклом времени; ≤ 100 мкс) с низким уровнем джитра связи (для точных целей синхронизации; ≤ 1 мкс) и снижения затрат на оборудование. Типичными областями применения EtherCAT являются машинное управление (например, полупроводниковые инструменты, формование металла, упаковка, литье впрыска, сборочные системы, печатные машины, робототехника). Устройства с дистанционным управлением, используемые в железнодорожной промышленности. Альтернативными технологиями для сетей в промышленной среде являются EtherNet/IP, Profinet и Profibus.
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) is an Ethernet based fieldbus system developed by Beckhoff Automation. The protocol is standardized in IEC 61158 and is suitable for both hard and soft real time computing requirements in automation technology. The goal during development of EtherCAT was to apply Ethernet for automation applications requiring short data update times (also called cycle times; ≤ 100 μs) with low communication jitter (for precise synchronization purposes; ≤ 1 μs) and reduced hardware costs. Typical application fields for EtherCAT are machine controls (e. g. semiconductor tools, metal forming, packaging, injection molding, assembly systems, printing machines, robotics). Remote controlled hump yard facilities used in the railroad industry. Alternative technologies for networking in the industrial environment are EtherNet/IP, Profinet and Profibus.
Протокол
Протокол EtherCAT оптимизирован для обработки данных и переносится непосредственно в стандартной IEEE 802.3 Ethernet-фрейм, используя Ethertype 0x88a4. Он может состоять из нескольких подтелеграмм, каждая из которых обслуживает определенную область памяти изображений логического процесса, размер которых может достигать 4 гигабайт. Последовательность данных не зависит от физического порядка узлов в сети; адресация может быть в любом порядке. Трансляция, мультикаст и связь между рабами возможны, но должны быть инициированы мастер-устройством. Если требуется IP-маршрутизация, протокол EtherCAT может быть вставлен в UDP/IP-даттаграммы. Это также позволяет любому управлению с стеком протоколов Ethernet обращаться к системам EtherCAT.
Выступление
Можно достичь коротких циклов, поскольку микропроцессоры хоста в рабочем устройстве не участвуют в обработке пакетов Ethernet для передачи образов процесса. Вся передача данных процесса осуществляется на аппаратном обеспечении рабочего контроллера. В сочетании с функциональным принципом это делает EtherCAT высокопроизводительной распределенной системой ввода-вывода: процесс обмена данными с 1000 распределенными цифровыми вводами-выводами занимает около 30 мкс, что типично для передачи 125 байтов по 100 Мбит/с Ethernet. Данные для и от 100 сервоосевых могут обновляться до 10 кГц. Типичные частоты обновления сети составляют 130 кГц, но EtherCAT может использоваться и с более медленными циклами, если нагрузка DMA слишком высока. Использование полосы пропускания максимально, так как каждый узел и каждый данный не требуют отдельной рамки. Таким образом, возможно достижение чрезвычайно коротких циклов ≤ 100 мкс. Используя полное дуплексное взаимодействие 100BASE TX, можно достичь эффективных скоростей передачи данных более 100 Мбит/с (> 90% скорости передачи данных пользователя 2x100 Мбит/с). Принцип технологии EtherCAT масштабируем и не ограничивается 100 Мбит/с. EtherCAT G и 10G - это новые расширения стандарта EtherCAT, использующие соответственно 1 и 10 гигабит / с для значительно увеличенной пропускной способности для удовлетворения потребностей IIoT и Industry 4.0
Топология
Используя полнодуплексные физические слои Ethernet, slave-контроллеры EtherCAT автоматически закрывают открытый порт и возвращают Ethernet-кадр, если ни одно устройство не обнаружено вниз по потоку. Рабские устройства могут иметь один, два или более портов. Благодаря этим особенностям EtherCAT позволяет использовать множество топологий сети, включая линию, дерево, кольцо, звезду или любую их комбинацию. Протокол также позволяет использовать множество функций связи, таких как избыточность кабелей, горячее соединение сегментов, смена устройств во время работы или даже избыточность мастера с горячей режимом ожидания. Таким образом, комбинация вариаций топологии и различных сетевых архитектур, например, подчиненных или соседних систем управления с последовательной синхронизацией, позволяет использовать многочисленные возможности. Дополнительные выключатели не требуются. Физика Ethernet позволяет протяжённость кабеля до 100 м (300 футов) между двумя узлами, поэтому шина E (LVDS) предназначена только для использования в качестве физического слоя для модульных устройств. Для каждого кабельного пути вариант сигнала может быть выбран индивидуально. Для больших расстояний или полной гальванической изоляции между двумя рабами используются волоконно-оптические кабели. С помощью однорежимного волокна можно преодолеть расстояние до 20 км между двумя узлами. Поскольку в общей сложности может быть подключено 65 535 узлов на сегмент сети, расширение сети почти неограничено.
Синхронизация
Для синхронизации применяется распределенный механизм часов, что приводит к очень низкому колебанию, значительно меньше 1 мкс, даже если колебания цикла связи эквивалентны стандарту IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP). Поэтому EtherCAT не требует специального оборудования в мастер-устройстве и может быть реализован в программном обеспечении на любом стандартном Ethernet MAC, даже без выделенного сопроцессора связи. Типичный процесс установления распределенных часов инициируется хозяином путем отправки передачи всем рабам на определенный адрес. После получения этого сообщения все рабы будут запирать значение своих внутренних часов дважды, один раз, когда сообщение будет получено, и один раз, когда оно вернется (помните, что EtherCAT имеет кольцевую топологию). Затем хозяин может прочитать все запертые значения и рассчитать задержку для каждого раба. Этот процесс можно повторить столько раз, сколько потребуется, чтобы уменьшить дряхлость и усреднить значения. Общая задержка рассчитывается для каждого раба в зависимости от его позиции в рабском кольце и будет загружена в офсетный регистр. Наконец, хозяин выпускает трансляцию считывания на системных часах, что делает первый раб эталонными часами и заставляет всех остальных рабов настроить свои внутренние часы соответствующим образом с теперь известным смещением. Чтобы синхронизировать часы после инициализации, главный или раб должен регулярно отправлять трансляцию снова, чтобы противодействовать любым последствиям разницы скорости между внутренними часами каждого раба. Каждый раб должен регулировать скорость своего внутреннего часа или внедрять внутренний механизм коррекции, когда ему нужно корректировать. Система часов определяется как 64-битное счетчик с базовой единицей 1ns начиная с 1 января 2000 года, 0:00.
Диагноз
Быстрое и точное обнаружение нарушений является одной из многих диагностических особенностей EtherCAT. Битовые ошибки во время передачи надежно обнаруживаются путем анализа контрольной суммы CRC: 32-битовый полином CRC имеет минимальное расстояние Хамминга 4. Помимо протокола обнаружения и локализации ошибок, физика передачи и топология системы EtherCAT позволяют индивидуально контролировать качество каждого отдельного пути передачи. Автоматизированный анализ соответствующих счетчиков ошибок позволяет точно определить местонахождение критических сегментов сети. Более подробная информация приведена в главе "Мониторинг".
Профили устройства
Профили устройств описывают параметры применения и функциональное поведение устройств, включая устройства, специфичные для устройства. Для существующих профилей устройств предусмотрены следующие программные интерфейсы. Таким образом, миграция на EtherCAT путем корректировки прошивки и аппаратного обеспечения значительно упрощается.
Протокол применения CAN через EtherCAT (CoE)
Устройства CANopen и профили приложений доступны для широкого выбора категорий устройств и приложений: модулей ввода-вывода, приводов (например, профиль привода CiA 402, стандартизированный как IEC 61800 7 201/301), кодеров (CiA 406), пропорциональных клапанов, гидравлических контроллеров (CiA 408) или профилей приложений. В этом случае EtherCAT заменяет CAN.
Сервопривод-профиль через EtherCAT (SoE)
Интерфейс SERCOS - это интерфейс связи в реальном времени, идеально подходит для приложений управления движением. Профиль SERCOS для сервоприводов и технологии связи стандартизирован в IEC 61800 7. Этот стандарт также содержит отображение профиля сервопривода SERCOS в EtherCAT (IEC 61800 7 304).
Ethernet через EtherCAT (EoE)
Любое устройство Ethernet может быть подключено к сегменту EtherCAT через переключатели. Эфирные фреймы туннелируются через протокол EtherCAT, как это обычно для интернет-протоколов (например, TCP/IP, VPN, PPPoE (DSL) и т. д.). Сеть EtherCAT полностью прозрачна для устройств Ethernet, и функции реального времени EtherCAT не нарушаются.
Безопасность через EtherCAT (FSoE)
Параллельно с разработкой EtherCAT был разработан независимый протокол безопасности полевой шины. Для EtherCAT он доступен как "Safety over EtherCAT" (FSoE = Fail Safe over EtherCAT). С FSoE можно обеспечить функциональную безопасность с помощью EtherCAT. Протокол, а также его реализация сертифицированы TÜV и соответствуют требованиям уровня 3 целостности безопасности согласно IEC 61508. С 2010 года безопасность по EtherCAT стандартизирована на международном уровне по стандарту IEC 61784 3 12. EtherCAT обеспечивает одноканальную систему связи для передачи безопасной и небезопасной информации. Транспортная среда рассматривается как черный канал, и поэтому не включается в соображения безопасности.
Файл через EtherCAT (FoE)
Этот простой протокол похож на TFTP (Trivial File Transfer Protocol); он позволяет получить доступ к файлам в устройстве и единообразную загрузку прошивки на устройства в сети EtherCAT. Протокол специфицирован в строгой форме, чтобы его могли поддерживать программы загрузки. Стек TCP/IP не требуется.
Мониторинг
Поскольку EtherCAT использует стандартные Ethernet-кадры в соответствии с IEEE 802.3, любой стандартный инструмент Ethernet может использоваться для мониторинга связи EtherCAT. Кроме того, существует бесплатное программное обеспечение для анализа Wireshark (ранее Ethereal, инструмент мониторинга с открытым исходным кодом) и сетевой монитор Microsoft, с помощью которого записанный трафик данных EtherCAT может быть удобно подготовлен и отображен.
Врата
Используя шлюзы, существующие сети, такие как CANopen, DeviceNet или Profibus, могут быть легко интегрированы в среду EtherCAT. Кроме того, шлюзы обеспечивают бесплатный путь миграции от традиционного полевого автобуса к EtherCAT, что снижает дополнительные инвестиционные затраты. Благодаря производительности EtherCAT, связь с внешними мастерами полевой шины так же быстра, как и с традиционными картами, подключенными через PCI или другие магистральные шины. Поскольку децентрализованные полевые шины приводят к более коротким расширениям, они могут работать с еще более высокими скоростями передачи данных, чем это было бы возможно с традиционной архитектурой.
Реализация
EtherCAT Technology Group (ETG) призывает и ожидает, что компании, разрабатывающие продукты EtherCAT, присоединятся к ETG, чтобы они могли получить идентификатор поставщика EtherCAT, получить доступ к полной документации, форуму разработчиков и коду slave stack, который Бекхофф предоставляет бесплатно членам ETG.
Мастер
Мастера могут быть реализованы в качестве программного решения на любом Ethernet MAC. Различные производители предоставляют код для различных операционных систем, в том числе несколько проектов с открытым исходным кодом. Из-за перемещенного отображения на рабочем оборудовании требования к производительности процессора мастера снижаются. Мастер уже содержит данные в виде легко сортируемого образа процесса. Для работы сети мастер EtherCAT требует структуры данных циклического процесса, а также команд загрузки для каждого рабочего устройства. Эти команды могут быть экспортированы в файл EtherCAT Network Information (ENI) с помощью инструмента конфигурации EtherCAT, который использует файлы EtherCAT Slave Information (ESI) от подключенных устройств.
Рабыня
В отличие от стандартной работы Ethernet, рабы обрабатывают кадры EtherCAT на ходу. Для этого требуется использование аппаратно интегрированных EtherCAT Slave Controllers (ESC) в рабов. ESC также доступны в качестве ASIC или на основе FPGA. С начала 2012 года также доступны стандартные микропроцессоры с рабочими интерфейсами EtherCAT. Для простых устройств дополнительный микроконтроллер не требуется. Однако в более сложных устройствах производительность связи EtherCAT почти не зависит от производительности используемого контроллера. Таким образом, требования к микроконтроллеру определяются локальным приложением, например, управлением приводом. Существует выбор плат разработки, как от поставщиков EtherCAT Slave Controller, так и от сторонних поставщиков. Существуют также проекты с открытым исходным кодом для плат разработки slave устройств EtherCAT, такие как SOES и ArduCAT.
Контроль и регулирование
Для контроля и регулирования физических процессов требуется высокая целостность данных, безопасность данных и синхроничность. EtherCAT был разработан специально для таких приложений и отвечает всем требованиям к быстрому управлению.
Системы измерений
Современные системы измерений характеризуются многоканальностью, синхроничностью и точностью. Благодаря передовым функциям протокола EtherCAT, обеспечивается эффективная синхронная передача данных. Сетевые функции, основанные на Ethernet, позволяют создать измерительную сеть с распределенными измерительными модулями.
Организация
Технологическая группа EtherCAT (ETG) была создана в 2003 году и является организацией пользователей промышленного Ethernet с наибольшим количеством членов в мире сегодня. Широкий спектр поставщиков промышленных средств управления, производителей оригинальных устройств, производителей машин и технологических организаций со всего мира составляют список членов ETG. ETG предлагает своим членам поддержку внедрения и обучение, организует тесты на совместимость (часто называемые "Plug Fests") и способствует разработке и распространению технологии, поддерживаемой ее членами и командами, работающими в офисах в Германии, Китае, Японии, Корее и Северной Америке. Конечные пользователи ETG охватывают многочисленные отрасли промышленности, а производители машин и поставщики мощных технологий управления объединяют усилия для поддержки и продвижения технологии EtherCAT. Разнообразие отраслей промышленности гарантирует оптимальную подготовку EtherCAT для широкого спектра применений. Системы-партнеры предоставляют квалифицированную обратную связь для простой интеграции аппаратных и программных модулей во всех требуемых классах оборудования. Инструмент проверки соответствия EtherCAT (CTT), разработанный при содействии компаний-членов ETG, обеспечивает совместимость и соответствие протоколам устройств EtherCAT.
Стандартизация
Технологическая группа EtherCAT (ETG) является официальным партнером по связям с рабочими группами IEC (Международная электротехническая комиссия) по цифровой связи. Спецификация EtherCAT была опубликована как IEC/PAS 62407 в 2005 году, которая была удалена в конце 2007 года, поскольку EtherCAT была интегрирована в международные стандарты полевых автобусов IEC 61158 и IEC 61784 2 а также в стандарт профиля привода IEC 61800 7. Эти стандарты МЭК были единогласно одобрены в сентябре и октябре 2007 года и были опубликованы как IS (Международные стандарты) в конце того же года. В IEC 61800 7 EtherCAT является стандартизированной технологией связи для профилей привода SERCOS и CANopen (также известный как CiA 402). EtherCAT также является частью стандарта ISO 15745 4, стандарта для описания XML-устройств. Кроме того, SEMI добавила EtherCAT в свой портфель стандартов (E54.20) и одобрила технологию для использования в полупроводниковом и плоскопанельном оборудовании для производства дисплеев. В апреле 2010 года была принята редакция 2 стандарта IEC 61784 3, которая содержит протокол Safety over EtherCAT. В сентябре 2008 года EtherCAT Installation Profile был представлен в IEC 61784 5.