Mis on EtherCAT: arhitektuur, töö ja selle rakendused

EtherCATi töötas esmalt välja suurettevõte PLC-d tootja nimelt Beckhoff Automation, mida kasutatakse reaalajas juhtimissüsteemides ja tööstusautomaatika . Beckhoff Automation töötas 1980. aastatel välja oma Fieldbusi versiooni nagu LightBus, et lahendada teiste liideste ribalaiuse probleem. Selle protokolli kallal tehtud lisatöö tulemuseks oli lõpuks EtherCATi leiutis. Beckhoff käivitas EtherCAT protokolli 2003. aastal kogu maailmas. Pärast seda panustasid nad 2004. aastal EtherCAT Technology Groupi (ETG) õigustega. ETG-l on väga aktiivne arendaja ja ka kasutajagrupp. Selles artiklis käsitletakse ülevaadet Ethercati põhitõed – rakendustega töötamine.

Mis on Ethercat?

EtherCAT või Ethernet Control Automation Technology on tööstuslik võrgusüsteem, mis sõltub väga kiire ja tõhusama side saavutamiseks kasutatavast Etherneti süsteemist. Seega on EtherCAT väga kiire võrk, mida kasutatakse andmete töötlemiseks spetsiaalse riist- ja tarkvaraga. See võrk kasutab ülem-alluv, täisduplekskonfiguratsiooni mis tahes võrguga võrgu topoloogia .

1000 I/O-punkti töötlemiseks kulub 30 sekundit ja suhtleb 100 servoteljega 100 meie piires. Servoteljed saavad seadistatud väärtused andmete juhtimiseks ja tegeliku oleku teatamiseks. Need teljed sünkroonitakse hajutatud kellameetodi abil, mis on lihtne IEEE 1588 versioon ja vähendab värinat alla 1 us. EtherCAT annab kiire väljundi, kuna sõnumeid töödeldakse riistvaras enne nende teisaldamist järgmisele alamseadmele.

EtherCAT arhitektuur

Allpool on näidatud EtherCATi võrguarhitektuur, mis kasutab meediumile juurdepääsu kontrollimiseks ülem-aluv põhimõtet. Selles arhitektuuris on EtherCAT-i ülemseade tavaliselt juhtimissüsteem, mis kasutab tüüpilist Etherneti porti ja ka ENI (EtherCAT võrguteabe) failis salvestatud võrgu konfiguratsiooniteavet.

EtherCATi võrguteabe fail luuakse lihtsalt ESI (EtherCAT SlaveInformation) failide põhjal, mille kaupmehed iga seadme kohta annavad. Siin edastab põhisõlm kaadrid alluvatele sõlmedele, mis saavad nendest kaadritest andmeid sisestada ja sealt eemaldada. Slave-seadmed on sõlmed nagu EPOS3 mootoriajamid, mis sisaldavad Etherneti porte suhtlemiseks EtherCAT-i ülemseadme kaudu. Siin on EtherCAT-i ülemseade arvutiseade, mida kasutatakse andmeside hoidmiseks nii ülem- kui ka erinevate alamseadmete vahel.

Kuidas EtherCAT töötab?

EtherCAT-i kasutatakse tööstusliku Etherneti tüüpiliste tõrgete ületamiseks selle suure jõudlusega töörežiimi kaudu, kus tavaliselt piisab ühest kaadrist juhtandmete edastamiseks ja vastuvõtmiseks kõikidest sõlmedest. EtherCAT-protokoll on üles ehitatud Etherneti füüsilisele kihile, kuid EtherCAT kasutab transpordiks ja sõnumite marsruutimiseks lennult töötlemise meetodit, mida nimetatakse ka lennult suhtlemiseks, mitte TCP/IP-i kasutamiseks.

EtherCATi ülem- ja alamkonfiguratsioonid on näidatud allpool. Selles konfiguratsioonis edastab Ethercati ülem andmepaketi (telegrammi) igas alluvas, mida nimetatakse ka sõlmeks.
Peamine EtherCAT-i funktsioon on see, et ülaltoodud konfiguratsioonis olevad alamseadmed saavad lugeda muul viisil lihtsalt telegrammist vajalikke seotud andmeid ja lisada telegrammi teavet enne, kui see liigub teise sõlme või alamseadmesse. Seega liigub telegramm läbi kõigi ühendatud orjade ja pärast seda naaseb ülemale.

EtherCAT-protokoll saadab ülemseadmest telegrammi kõigile võrku ühendatud alamseadmetele. Iga võrgus olev alam saab lihtsalt lugeda selle alluva kohta kehtivaid andmeid ja lisada telegrammi andmeid enne, kui see liigub teise sõlme.

Andmete lugemine ja kirjutamine on lihtsalt lubatud iga EtherCATi alluva spetsiaalse ASIC-i kaudu. Selle lähenemisviisi korral viib iga ori protseduurile minimaalse viivituse ja kokkupõrked ei ole teostatavad.

EtherCAT-protokoll pakub lihtsalt reaalajas ja deterministlikku sidet, mis ühildub sünkroniseeritud ja mitmeteljelise liikumisjuhtimisega, ilma et oleks vaja täiendavat riistvara mitme telje vahelise sünkroonimise saavutamiseks.

Veataluvus

Kui EtherCATi ülem- ja alamkonfiguratsioonis ei ole viimase sõlme väljund ülemseadmega seotud, tagastatakse andmed EtherCAT-protokolli kaudu automaatselt teises suunas. Seega säilib ajatempel.

Iga ülaltoodud konfiguratsiooni sõlm tembeldab andmed pärast nende saamist ja pärast seda uuesti templi, kui see edastab need teisele sõlmele. Järelikult määrab iga sõlme latentsusaja hõlpsalt iga kord, kui juht saab andmed erinevatelt sõlmedelt tagasi. Andmete edastamine ülemseadmelt saab igast sõlmest I/O ajatempli, et muuta EtherCAT palju deterministlikumaks ja täpsemaks.

Tõrketaluvus tähendab, et EtherCAT võrgud ei pea olema ühendatud ringvõrku, nagu on näidatud ülaltoodud diagrammil, kuid seda saab ühendada erineval viisil, näiteks puu topoloogia, liini topoloogia, ring topoloogia, tähe topoloogia ja ka kombinatsioonid.

Muidugi peab orjade ja peremehe vahel olema ühendusrada. Kui olete need lahti ühendanud, ei saa nad töötada, kuigi võrgu topoloogia on väga paindlik ja talub suurepäraselt vigu.

EtherCAT-süsteemides pole lülitid vajalikud, nagu oleme leidnud Ethernetis. Kaabli pikkused sõlmede vahel on kuni 100 meetrit. Madalpinge diferentsiaalsignalisatsioon keerdpaariga vaskkaablitel töötab maksimaalsetel kiirustel väga väiksema energiatarbimisega. Seega on kiiruse suurendamiseks ja seadmete vahel galvaanilise isolatsiooni lisamiseks võimalik kasutada ka fiiberoptilisi kaableid (FOC).

EtherCAT kasutab Etherneti kaablit, mille kaugus kahe sõlme vahel võib olla kuni 100 m. Lisaks võimaldab protokoll andmeedastust ja toidet ühe kaabli kaudu. Seda tüüpi ühendust kasutatakse erinevate seadmete, näiteks andurite, ühendamiseks ühe liiniga. Kui sõlme kaugus on üle 100 m, kasutatakse fiiberoptilist kaablit nagu 100BASE-FX. EtherCATi jaoks on saadaval ka kogu Etherneti juhtmestik.

EtherCAT raam

EtherCAT-protokoll kasutab tüüpilist Etherneti kaadrit, mis sisaldab vähemalt ühte või enamat datagrammi. Selles kaadris määrab datagrammi päis, millist sisestust põhiseade soovib teha:

• Loe, kirjuta, loe-kirjuta.
• Õigus siseneda konkreetsesse alamseadmesse otsese adresseerimise kaudu või sisenemise õigus erinevatele alamseadmetele loogilise adresseerimise kaudu.

Loogilist adresseerimist kasutatakse tsüklilise andmevahetuse protsessis, kus iga Datagramm adresseerib protsessi kujutise täpset osa EtherCAT protokolli segmendis.

Igale alamseadmele eraldatakse selles globaalses aadressiruumis kogu loodud võrgus üks või mitu aadressi. Ühtset Datagrammi saab kaaluda, kui mitmele alluvale seadmele on eraldatud aadressid sarnases piirkonnas.

EtherCATis sisaldavad Datagrammid andmetele juurdepääsuga seotud teavet, seega otsustab põhiseade, millal andmetele juurde pääseda.

Protokolli ohutus

Praegu on ohutus üks peamisi omadusi isegi andmeedastuse ja side automatiseerimise valdkonnas. Seega kasutab EtherCAT turvalisuse huvides protokolli Safety, võimaldades nii andmete ohutuse kui ka kontrolli ainsa sidesüsteemi. See turvafunktsioon muudab ka andmeid paindlikult ja laiendab turvasüsteemi arhitektuuri jne.

EtherCAT-protokolli ohutustehnoloogia on TÜV-sertifikaadiga ja on välja töötatud IEC 61508 alusel ja on identne standardiga IEC 61784-3. See protokoll on rakendatav ohutusrakendustes SIL 3-ga võrdse ohutuse terviklikkuse taseme kaudu.

Ethercat vs Ethernet

EtherCATi ja Etherneti erinevusi käsitletakse allpool.

Ethercat vs Profinet

EtherCATi ja Profineti erinevusi käsitletakse allpool.

Ethercat Vs CANopen

EtherCATi ja CANopeni erinevusi käsitletakse allpool.

Ethercat vs Modbus

Erinevused EtherCATi ja Modbus arutatakse allpool.

Eelised ja miinused

Ethercati protokolli eelised hõlmavad järgmist.

• EtherCAT on suurepärane Fieldbus, mida kasutatakse liikumisjuhtimise rakendustes.
• See on kinnitatud masina jõudluse optimeerimiseks paindliku topoloogia, deterministliku jõudluse ja erinevate funktsioonide komplekti kaudu.
• See lihtsalt toetab kogu CANopeni perekonda ja Sercose sõiduprofiili. Nii et see aitab kasutajatel korraldada EtherCAT-võrke hõlpsalt täpse rakenduse järgi, muutes eelnevalt määratletud põhiprofiile.
• Selle koondamine on võimalik ka rõnga topoloogia abil. EtherCAT kasutab ka tähte, puu, joont ja siini topoloogia .
• See protokoll pakub Ethernetiga võrreldes suurt kiirust, vähem andmeliiklust, väiksemaid riistvarakulusid ning kella täpsust ja sünkroonimismehhanismi.
• Seda võrgukiirust saab ka hallata, kuna arvutitel võib olla probleeme parema tsüklite hulga haldamisega, seega on optimeerimine EtherCATis saavutatav.
• See toetab peaaegu kõiki topoloogiaid, nii et seda saab tüüpilise Etherneti tähe topoloogiapõhise lülitiga kasutada paljudes rakendustes.
• Etherneti protokollid on väga turvalised, kasutage lihtsustatud põhifaile, andmeruumi on rohkem ja töötlemine käib käigupealt.

Ethercati protokolli puudused hõlmavad järgmist.

• EtherCATi peamiseks puuduseks on see, et alamseadmed peavad EtherCATi käivitamiseks sisestama spetsiifilise ASIC-riistvara. Selle andmemudel on äärmiselt erinev ja ka väga raskesti mõistetav.

Rakendused

The EtherCATi rakendused sisaldama järgmist.

• EtherCAT on rakendatav erinevates valdkondades tänu paljudele funktsioonidele, nagu suurepärane jõudlus, lihtsus, vastupidavus, taskukohasus, integreeritud turvalisus ja paindlik topoloogia. Seda kasutatakse erinevates valdkondades nagu tööpingid, robootika, trükipressid, pressid, elektrijaamad, alajaamad, katsepingid, keevitusmasinad, põllumajandusmasinad, kraanad ja tõstukid, tuuleturbiinid, freesmasinad, korjamis- ja asetamismasinad, pakkimismasinad, mõõtmised süsteemid, raua- ja terasetehased, paberi- ja tselluloosimasinad, lavajuhtimissüsteemid, tunneli juhtimissüsteemid jne.
• Seda saab kasutada seadmete, meditsiiniseadmete, masinajuhtimise, mobiilsete masinate, paljude manussüsteemide ja autode mõõtmisel.
• Sellel on äärmiselt kõrge jõudlus, seda on lihtne installida ja see avab Etherneti rakendustes kasutatava rakendusekihipõhise protokolli
• See on reaalajas avatud sidesüsteem, mida kasutatakse laialdaselt automatiseerimisel.

Seega on see ülevaade Ethercatist – rakendustega töötamine. EtherCAT muudab süsteemid ja masinad lihtsamaks, kiiremaks ja kulutõhusamaks. See on rahvusvaheline IEC standard, mis ei tähenda ainult stabiilsust, vaid ka avatust: siiani pole EtherCATi spetsifikatsioone kunagi muudetud, vaid neid on laiendatud ainult ühilduvalt. EtherCATi peetakse 'Ethernet Fieldbusiks', kuna see ühendab Etherneti eelised standardsete väljasiinisüsteemide lihtsusega ja väldib IT-tehnoloogiate keerukust. Siin on teile küsimus, mis on Ethernet?