Principe de fonctionnement EtherCAT
1. Principe de fonctionnement:
Un certain nombre de solutions Ethernet sont disponibles pour fournir une fonctionnalité en temps réel: par exemple, le processus d'accès CSMA / CD est désactivé via une couche de protocole de niveau supérieur et remplacé par une tranche de temps ou un processus d'interrogation. D'autres solutions utilisent des commutateurs dédiés et utilisent un contrôle de temps précis pour distribuer les paquets Ethernet. Bien que ces solutions puissent fournir des paquets aux nœuds Ethernet connectés plus rapidement et plus précisément, l'utilisation de la bande passante est très faible, en particulier pour les équipements d'automatisation typiques, car même pour de très petits volumes de données, une trame Ethernet complète doit être envoyée. De plus, le temps nécessaire pour rediriger vers le contrôleur de sortie ou de commande et lire les données d'entrée dépend principalement du mode d'exécution. Habituellement aussi besoin d'utiliser un sous-bus, en particulier dans le système d'E / S modulaire, ces systèmes et BeckhoFF K-bus, à travers le système de sous-bus synchrone pour accélérer la vitesse de transmission, mais une telle synchronisation ne sera pas en mesure d'éviter retard causé par la transmission du bus de communication.
En utilisant la technologie EtherCAT, BeckhoFF a franchi les limitations système des autres solutions Ethernet: au lieu de recevoir les paquets Ethernet à chaque point de connexion comme auparavant, décoder et copier en tant que données de processus. Lorsqu'une trame traverse chaque périphérique (y compris le périphérique terminal sous-jacent), le contrôleur esclave EtherCAT lit les données importantes pour le périphérique. De même, les données d'entrée peuvent être insérées dans le message lors de son passage. Lorsque la trame est passée (seulement quelques bits retardés), l'esclave reconnaît la commande concernée et la traite. Ce processus est implémenté dans le matériel du contrôleur esclave et est donc indépendant du système d'exploitation en temps réel ou des performances du processeur du logiciel de pile de protocoles. Le dernier esclave EtherCAT dans le segment renvoie le message entièrement traité de sorte que le message est renvoyé en réponse du premier esclave au maître.
Du point de vue Ethernet, le segment de bus EtherCAT est simplement un périphérique Ethernet de grande taille pouvant recevoir et envoyer des trames Ethernet. Cependant, le "périphérique" n'inclut pas un seul contrôleur Ethernet avec un microprocesseur en aval, mais seulement un grand nombre d'esclaves EtherCAT. Comme n'importe quel autre Ethernet, EtherCAT peut établir une communication sans avoir besoin d'un commutateur, créant ainsi un système EtherCAT pur.
2. Les terminaux implémentent Ethernet:
Chaque appareil du système garantit l'utilisation d'un protocole Ethernet complet, même pour chaque terminal d'E / S, sans utiliser de sous-bus. Convertissez simplement le support de transmission du coupleur de la paire torsadée (100baseTX) en bus E pour répondre aux exigences du bornier électronique. Le type de signal bus E (LVDS) dans le bornier n'est pas dédié, il peut également être utilisé pour 10 Gigabit Ethernet. À la fin du bornier, les caractéristiques du bus physique sont reconverties à la norme 100baseTX.
Les cartes MAC Ethernet standard ou les cartes réseau standard (NIC) bon marché sont suffisantes pour être utilisées comme matériel dans le contrôleur. DMA (Direct Memory Access) est utilisé pour transférer des données vers le PC. Cela signifie que l'accès au réseau n'a aucun effet sur les performances du processeur. Le même principe est utilisé dans la carte multiport BeckhoFF, qui regroupe jusqu'à 4 canaux Ethernet dans un emplacement PCI.
3. Le traitement du protocole est complètement effectué dans le matériel
3.1 protocole:
Le protocole EtherCAT est optimisé pour les données de processus et il est transféré directement aux trames Ethernet ou compressé en datagrammes UDP / IP. Le protocole UDP est utilisé lorsque le segment EtherCAT d'autres sous-réseaux est adressé par le routeur. Une trame Ethernet peut contenir plusieurs messages EtherCAT, chacun étant dédié à une zone de mémoire spécifique pouvant être utilisée pour programmer une image de processus logique d'une taille maximale de 4 Go. Comme la chaîne de données est indépendante de la séquence physique des terminaux EtherCAT, les terminaux EtherCAT peuvent être adressés librement. Les stations esclaves peuvent diffuser, diffuser et communiquer.
Le protocole peut également gérer une communication de paramètres normalement non cyclique. La structure et la signification des paramètres sont définies par le profil d'appareil CANOPEN et ces profils d'appareils sont utilisés pour diverses classes d'appareils et applications. EtherCAT prend également en charge les règles dépendantes conformes à la norme CEI 61491. Le profil est nommé d'après SERCOSTM et est universellement reconnu dans le monde des applications de contrôle de mouvement.
En plus de l'échange de données selon le principe maître / esclave, EtherCAT est également très approprié pour la communication entre les contrôleurs (maître / maître). Les variables de réseau de données de process librement adressables ainsi que divers services de paramétrage, de diagnostic, de programmation et de contrôle à distance peuvent répondre à de nombreuses exigences. L'interface de données pour la communication maître / esclave avec le maître / maître est la même.
FMMU: Le traitement des messages est complètement exécuté dans le matériel
3.2 performance:
EtherCAT a atteint une nouvelle hauteur dans les performances du réseau. Le cycle de rafraîchissement de 1000 données d'E / S distribuées est seulement de 30μs, y compris le temps de cycle du terminal. Avec une trame Ethernet, il est possible d'échanger jusqu'à 1486 octets de données de process, ce qui correspond à près de 12 000 E / S numériques. La transmission de ce volume de données est seulement de 300 μs.
La communication avec 100 axes servo prend seulement 100 μs. Pendant ce temps, des valeurs de consigne et des données de contrôle peuvent être fournies à tous les axes et leur position réelle et leur état peuvent être signalés. La technologie d'horloge distribuée garantit que le temps de synchronisation entre ces axes dévie de moins de 1 microseconde.
En utilisant les performances supérieures de la technologie EtherCAT, il est possible de mettre en œuvre une méthode de contrôle qui ne peut pas être réalisée avec un système de bus de terrain conventionnel. De cette manière, une boucle de régulation ultrarapide peut également être formée via le bus. Les fonctionnalités qui nécessitaient auparavant un support matériel local dédié peuvent désormais être mappées dans un logiciel. Les ressources énormes de bande passante permettent aux données d'état d'être transmises en parallèle avec n'importe quelles données. La technologie EtherCAT permet à la technologie de communication de s'adapter aux PC industriels modernes hautes performances. Le système de bus n'est plus le goulot d'étranglement du concept de contrôle. Le transfert de données d'E / S distribuées dépasse les performances qui ne peuvent être atteintes que par l'interface d'E / S locale.
Cet avantage de performance réseau est évident dans les petits contrôleurs avec une puissance de calcul relativement modérée. La boucle à grande vitesse d'EtherCAT peut être complétée entre deux cycles de contrôle. Par conséquent, le contrôleur dispose toujours des dernières données d'entrée disponibles et le délai d'adressage de sortie est minime. Le comportement de réponse du contrôleur est significativement amélioré sans avoir besoin d'améliorer sa propre puissance de calcul.
Le principe de la technologie EtherCAT est évolutif, pas limité à 100M de bande passante - Ethernet étendu au Gigabit est également possible.
3.3 EtherCAT remplace PCI:
Avec l'accélération de la miniaturisation des composants PC, la taille des PC industriels dépend principalement du nombre de slots requis.
L'utilisation de la bande passante Ethernet haut débit et de la bande passante du matériel de communication EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) ouvre de nouvelles possibilités d'application: les interfaces généralement situées dans l'IPC sont transférées vers les terminaux d'interface intelligents du système EtherCAT. En plus des E / S distribuées, des axes et des unités de contrôle, des systèmes complexes tels que des bus de terrain, des interfaces série haut débit, des passerelles et d'autres interfaces de communication peuvent être adressés via un port Ethernet sur le PC. Même les autres appareils Ethernet qui ne sont pas limités aux variantes de protocole peuvent être connectés via des terminaux de commutation distribués. La taille de l'hôte PC industriel devient de plus en plus petite et le coût diminue de plus en plus. Une interface Ethernet est suffisante pour toutes les tâches de communication.
Ethernet est utilisé à la place des équipements de bus de terrain PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, etc.) pour l'intégration via des terminaux maîtres de bus de terrain distribués. Le fait de ne pas utiliser un maître de bus de terrain enregistre les logements PCI sur le PC.
3.4 Topologie:
Bus, arbre ou étoile: EtherCAT prend en charge presque toutes les topologies. Par conséquent, la structure de bus dérivée du bus de terrain peut également être utilisée pour Ethernet. La combinaison des structures de bus et de dérivation est particulièrement utile pour le câblage du système. Toutes les interfaces sont situées sur le coupleur et aucun commutateur supplémentaire n'est requis. Bien sûr, une topologie Ethernet star traditionnelle basée sur un commutateur peut également être utilisée.
L'utilisation de câbles de transmission différents maximise la flexibilité du câblage. Le câble de raccordement Ethernet standard flexible et peu coûteux peut transmettre des signaux via le mode Ethernet (100baseTX) ou via le bus E. La fibre optique (PFO) peut être utilisée pour des applications spéciales. La bande passante Ethernet (par exemple, différents câbles à fibres optiques et câbles en cuivre) peut être utilisée avec des commutateurs ou des convertisseurs de média. Les caractéristiques physiques de Fast Ethernet peuvent faire que la distance entre les appareils atteigne 100 mètres, tandis que l'E-bus ne peut garantir que l'espacement de 10 mètres. Fast Ethernet ou E-bus peuvent être sélectionnés en fonction des exigences de distance. Le système EtherCAT peut accueillir jusqu'à 65.535 appareils, de sorte que l'ensemble du réseau est presque illimité
4. Libre choix de la topologie
Il y a une flexibilité maximale sur le câblage: utiliser des commutateurs, utiliser une topologie de bus ou une topologie arborescente. Attribution automatique d'adresse pas besoin de définir une adresse IP.
4.1 Horloge distribuée:
Une synchronisation précise est particulièrement importante dans le processus de distribution où une large gamme d'actions simultanées est requise, par exemple lorsque plusieurs axes servo exécutent des tâches de liaison simultanées.
Un calibrage précis de l'horloge distribuée est la solution la plus efficace pour la synchronisation. Inversement, si la synchronisation complète est utilisée, la qualité des données de synchronisation sera grandement affectée lorsque des erreurs de communication se produisent. Dans le système de communication, l'horloge d'étalonnage pas à pas tolère dans une certaine mesure le retard d'erreur. Dans EtherCAT, l'échange de données est entièrement basé sur des périphériques matériels purs. Comme la communication utilise une structure de réseau en anneau logique, Fast Ethernet en duplex intégral et une structure de réseau en anneau réelle, l '"horloge maître" peut déterminer simplement et précisément la compensation de fonctionnement pour chaque "horloge esclave" et vice versa. L'horloge distribuée est ajustée en fonction de cette valeur, ce qui signifie qu'elle peut fournir une base d'horloge très précise avec une instabilité inférieure à 1 microseconde dans le réseau.
Cependant, les horloges distribuées haute performance ne sont pas seulement utilisées pour la synchronisation, mais fournissent également des informations précises sur l'heure locale pendant l'acquisition des données. Grâce à l'introduction de nouveaux types de données étendus, les valeurs mesurées peuvent être affectées avec des horodatages très précis.
4.2 Connexion chaude:
De nombreuses applications nécessitent de modifier la configuration d'E / S en cours de fonctionnement. Par exemple, un centre de traitement avec des caractéristiques changeantes, un système d'outil équipé d'un capteur, un dispositif de transmission intelligent, un actionneur de pièce flexible et une imprimante qui peut fermer de manière indépendante l'unité d'impression. Le système EtherCAT prend en compte ces exigences: La fonction «connexion à chaud» permet de connecter ou de déconnecter les différentes parties du réseau ou de les reconfigurer «dynamiquement» pour apporter une réponse flexible aux changements de configuration.
4.3 Haute disponibilité:
La redondance de câble en option répond à la demande croissante pour une disponibilité accrue du système, de sorte que l'équipement peut être remplacé sans arrêter le réseau.
EtherCAT prend également en charge les stations maîtres redondantes avec secours automatique. Etant donné que le contrôleur esclave EtherCAT renvoie automatiquement les trames lorsqu'une interruption est détectée, une panne de périphérique n'entraînera pas l'arrêt complet du réseau. Par exemple, la chaîne de protection de câble peut être spécialement configurée sous la forme d'une barre courte pour éviter la casse.
4.4 sécurité:
Les fonctions de sécurité sont généralement mises en œuvre séparément du réseau d'automatisation, par le biais du matériel ou à l'aide d'un système de bus de sécurité dédié. Grâce à TwinSAFE (technologie de sécurité de BeckhoFF), il est désormais possible d'utiliser le protocole de sécurité EtherCAT pour la communication de sécurité et la communication de contrôle sur le même réseau.
Le protocole de sécurité est basé sur la couche d'application d'EtherCAT et n'affecte pas les couches inférieures. Ce protocole de sécurité a été certifié selon IEC 61508 pour atteindre un niveau d'intégration de sécurité (SIL) 3 et peut même atteindre SIL4 après avoir pris les mesures appropriées. La longueur des données peut varier de sorte que le protocole s'applique également aux données d'E / S de sécurité et à la technologie d'entraînement de sécurité. Comme les autres données EtherCAT, les données sécurisées peuvent être acheminées sans utiliser de routeur ou de passerelle sécurisé.
4.5 Diagnostic:
Les capacités de diagnostic du réseau sont très importantes pour améliorer la disponibilité du réseau et réduire le temps de mise en service (réduisant ainsi les coûts globaux). Les erreurs ne peuvent être éliminées rapidement que si elles sont détectées rapidement et avec précision et clairement identifiées. Par conséquent, pendant le développement d'EtherCAT, une attention particulière a été accordée aux caractéristiques diagnostiques typiques.
Pendant l'opération de test, la configuration réelle du terminal d'E / S est vérifiée pour la continuité en utilisant la configuration spécifiée. La topologie doit également correspondre à la configuration. En raison de l'identification de la topologie intégrée, les E / S peuvent être confirmées au démarrage du système ou lors de l'installation automatique.
Les erreurs de bits pendant la transmission de données peuvent être détectées avec un CRC valide de 32 bits. En plus de la détection et de la localisation des points de rupture, la transmission de la couche physique et de la topologie à travers le protocole du système EtherCAT fait de la surveillance de haute qualité de chaque segment de transmission une réalité. En analysant automatiquement les compteurs d'erreurs, la partie réseau critique peut être localisée avec précision. Vous pouvez détecter et localiser les sources d'erreurs constantes telles que les interférences CEM, les connecteurs défectueux ou les câbles endommagés, même s'ils n'ont pas eu un impact excessif sur la capacité du réseau à se réparer lui-même.
4.6 Ouverture
La technologie EtherCAT est non seulement entièrement compatible avec Ethernet, mais possède également des caractéristiques d'ouverture de conception spéciales: ce protocole peut coexister avec d'autres protocoles Ethernet qui fournissent divers services, et tous les protocoles coexistent dans le même support physique. un petit degré d'impact. Un appareil Ethernet standard peut être connecté à un système EtherCAT via un terminal de commutation, ce qui n'affecte pas le temps de cycle. Les appareils avec une interface bus de terrain traditionnelle peuvent être intégrés dans le réseau via la connexion du terminal maître bus de terrain EtherCAT. La variante de protocole UDP permet d'intégrer le périphérique dans n'importe quelle interface de slot. EtherCAT est un protocole entièrement ouvert qui a été identifié comme une spécification CEI formelle (IEC / PAS62407).