5ый семестр / 1. Производственная практика / стащил с работы / EtherCAT - Википедия

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)-это система полевых шин на базе Ethernet, изобретенная компанией Beckhoff Automation (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/https/www.beckhoff.com/ethercat). Протокол стандартизирован по стандарту IEC 61158 и подходит как для жестких, так и для мягких вычислений в реальном времени в области автоматизации.

Целью разработки EtherCAT было применение Ethernet для приложений автоматизации, требующих короткого времени обновления данных (также называемого временем цикла; ≤ 100 мкс) с низким дрожанием связи (для точной синхронизации; ≤ 1 мкс) и сниженными затратами на оборудование.

Содержание

Особенности EtherCAT

Функциональный принцип

Протокол

Производительность

Топология

Синхронизация

Диагностика Профили устройств

CAN application protocol over EtherCAT (CoE)

Servodrive-Профиль через EtherCAT (SoE)

Другие протоколы

Ethernet over EtherCAT (EoE)

Функциональная безопасность: Безопасность по EtherCAT (FSoE) Мониторинг Шлюзы

Реализация

Общая информация Мастер Подчинение

Примеры применения

Контроль и регулирование

Измерительные системы

EtherCAT Technology Group (ETG)

Международная стандартизация

Примечания

Ссылки Внешние ссылки

Особенности EtherCAT

Функциональный принцип

С EtherCAT стандартный пакет Ethernet или кадр (в соответствии с IEEE 802.3) больше не принимается, не интерпретируется и не копируется как данные процесса на каждом узле. Подчиненные устройства EtherCAT считывают адресованные им данные, пока телеграмма проходит через устройство, обрабатывая данные "на лету". Другими словами, данные и сообщения в реальном времени имеют приоритет над более общими, менее чувствительными ко времени или тяжелонагруженными данными.

*необязательно, показанный стек TCP/IP не нужен для типичных устройств полевой шины.

EtherCAT master может получить доступ ко всем данным, включая имя и типы данных подчиненного устройства EtherCAT, без сложных инструментов.

EtherCAT использует стандартный Ethernet (IEEE 802.3 - Ethernet MAC и PHY) без изменений.

Протокол

Протокол EtherCAT оптимизирован для обработки данных и передается непосредственно в стандартном фрейме IEEE 802.3 Ethernet с использованием Ethertype 0x88a4. Он может состоять из нескольких подтелеграмм, каждая из которых обслуживает определенную область памяти образов логического процесса размером до 4 гигабайт. Последовательность данных не зависит от физического порядка узлов в сети; адресация может быть в любом порядке. Широковещательная передача, многоадресная рассылка и связь между подчиненными устройствами возможны, но должны быть инициированы главным устройством. Если требуется IP-маршрутизация, протокол EtherCAT может быть вставлен в UDP/IP-дейтаграммы. Это также позволяет любому элементу управления со стеком протоколов Ethernet обращаться к системам EtherCAT.

Производительность

Короткое время цикла может быть достигнуто, так как хост-микропроцессоры в подчиненных устройствах не участвуют в обработке пакетов Ethernet для передачи изображений процесса. Вся передача данных процесса обрабатывается в аппаратном обеспечении ведомого 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 характерно для передачи 125 байт по Ethernet 100 Мбит/с. Данные для 100 сервоосей и с них могут обновляться с частотой до 10 кГц. Типичная частота обновления сети составляет 1-30 кГц, но EtherCAT можно использовать и с более медленным временем цикла, если нагрузка DMA слишком высока.

Использование полосы пропускания максимизируется, так как каждый узел и каждые данные не требуют отдельного кадра. Таким образом, достигается чрезвычайно короткое время цикла ≤ 100 мкс. Используя полнодуплексные функции 100BASE-TX, можно достичь эффективной скорости передачи данных более 100 Мбит/с (> 90% пользовательской скорости передачи данных 2x100 Мбит/с).

Принцип технологии EtherCAT масштабируем и не привязан к 100 Мбит/с. Будущее расширение до гигабитной сети Ethernet возможно, но в настоящее время не готовится, так как производительность EtherCAT достаточна при 100 Мбит/с.

Топология

Используя полнодуплексные физические уровни Ethernet, подчиненные контроллеры EtherCAT автоматически закрывают открытый порт и возвращают кадр Ethernet, если нисходящее устройство не обнаружено. Подчиненные устройства могут иметь один, два или более портов. Благодаря этим функциям EtherCAT позволяет использовать множество сетевых топологий, включая линию, дерево, кольцо, звезду или любую их комбинацию. Протокол также обеспечивает множество функций связи, таких как резервирование кабеля, горячее соединение сегментов, смена устройств во время работы или даже главное резервирование в режиме горячего ожидания.

Таким образом, сочетание вариаций топологии и различных сетевых архитектур, например, согласованных или соседних систем управления с согласованной синхронизацией, открывает многочисленные возможности. Дополнительные переключатели не требуются. Физика Ethernet позволяет использовать кабель длиной до 100 м (300 футов) между двумя узлами, поэтому электронная шина (LVDS) предназначена только для использования в качестве физического уровня для модульных устройств. Для каждого кабельного тракта вариант сигнала может быть выбран индивидуально. Для больших расстояний или полной гальванической развязки между двумя ведомыми устройствами используются волоконнооптические кабели. С помощью одномодового волокна можно преодолеть расстояния до 20 км между двумя узлами. Поскольку в каждом сегменте сети может быть подключено в общей сложности 65 535 узлов, расширение сети практически неограниченно.

Синхронизация

Для синхронизации применяется распределенный тактовый механизм, который приводит к очень низкому джиттеру, значительно менее 1 мкс, даже если цикл связи дрожит, что эквивалентно стандарту протокола точного времени IEEE 1588 (PTP). Поэтому EtherCAT не требует специального оборудования в главном устройстве и может быть реализован в программном обеспечении на любом стандартном Ethernet MAC, даже без выделенного коммуникационного сопроцессора.

Типичный процесс установления распределенных часов инициируется ведущим устройством путем отправки широковещательной передачи всем подчиненным устройствам по определенному адресу. После получения этого сообщения все подчиненные устройства дважды фиксируют

значение своих внутренних часов, один раз при получении сообщения и один раз при его возврате (помните, что EtherCAT имеет кольцевую топологию). Затем ведущий может считывать все запертые значения и вычислять задержку для каждого ведомого устройства. Этот процесс можно повторять столько раз, сколько потребуется, чтобы уменьшить дрожание и усреднить значения. Общие задержки рассчитываются для каждого ведомого устройства в зависимости от его положения в ведомом кольце и загружаются в регистр смещения. Наконец, ведущий выдает широковещательную запись чтения на системные часы, которая сделает первый ведомый эталонным часами и заставит все остальные ведомые устройства соответствующим образом установить свои внутренние часы с известным теперь смещением.

Чтобы синхронизировать часы после инициализации, ведущий или ведомый должны регулярно отправлять широковещательную передачу снова, чтобы противостоять любым эффектам разницы в скорости между внутренними часами каждого ведомого устройства. Каждый подчиненный должен регулировать скорость своих внутренних часов или внедрять внутренний механизм коррекции всякий раз, когда им приходится приспосабливаться.

Системные часы задаются как 64-битный счетчик с базовой единицей 1ns, начиная с 1 января 2000 года, 0:00.

Диагностика

Быстрое и точное обнаружение нарушений-одна из многих диагностических особенностей EtherCAT.

Битовые ошибки при передаче надежно обнаруживаются анализом контрольной суммы CRC: 32-битный полином CRC имеет минимальное расстояние Хэмминга 4. Помимо протокола обнаружения и локализации ошибок, физика передачи и топология системы EtherCAT позволяют осуществлять индивидуальный контроль качества каждого отдельного тракта передачи. Автоматизированный анализ соответствующих счетчиков ошибок позволяет точно локализовать критические сегменты сети.

Более подробная информация приведена в главе под названием "Мониторинг".

Профили устройств

Профили устройств описывают параметры приложения и функциональное поведение устройств, включая конечные автоматы для конкретных устройств. Для существующих профилей устройств предусмотрены следующие программные интерфейсы. Таким образом, переход на EtherCAT путем настройки прошивки и аппаратного обеспечения значительно упрощается.

CAN application protocol over EtherCAT (CoE)

Устройства CANopen и прикладные профили доступны для широкого спектра категорий устройств и областей применения: модули ввода-вывода, приводы (например, приводной профиль CiA 402, стандартизированный по стандарту IEC 61800-7-201/301), энкодеры (CiA 406), пропорциональные клапаны, гидравлические контроллеры (CiA 408) или прикладные профили. В этом случае EtherCAT заменяет CAN.

Servodrive-Профиль через EtherCAT (SoE)

SERCOS interface-это коммуникационный интерфейс в реальном времени, идеально подходящий для приложений управления движением. Профиль SERCOS для сервоприводов и коммуникационных технологий стандартизирован по стандарту IEC 61800-7. Этот стандарт также содержит отображение профиля сервопривода SERCOS на EtherCAT (IEC 61800-7-304).

Другие протоколы

Ethernet over EtherCAT (EoE)

Любое устройство Ethernet может быть подключено к сегменту EtherCAT через порты коммутатора. Фреймы Ethernet туннелируются по протоколу EtherCAT, как это обычно бывает с интернет-протоколами (например, TCP/IP, VPN, PPPoE (DSL) и т. Д.). Сеть EtherCAT полностью прозрачна для устройств Ethernet, и функции EtherCAT в реальном времени не нарушаются.

Функциональная безопасность: Безопасность по EtherCAT (FSoE)

Параллельно с разработкой EtherCAT был разработан независимый от полевой шины протокол безопасности. Для EtherCAT он доступен как

"Safety over EtherCAT" (FSoE = Fail Safe over EtherCAT). С помощью FSoE может быть реализована функциональная безопасность с EtherCAT.

Протокол, а также его реализация сертифицированы TÜV и отвечают требованиям уровня целостности безопасности 3 в соответствии с IEC 61508. С 2010 года Safety over EtherCAT стандартизирована на международном уровне в соответствии с IEC 61784-3-12. EtherCAT предоставляет одноканальную систему связи для передачи безопасной и небезопасной информации. Транспортная среда рассматривается как черный канал[2] и, таким образом, не включается в соображения безопасности.

Мониторинг

Поскольку EtherCAT использует стандартные кадры Ethernet в соответствии с IEEE 802.3, для мониторинга связи EtherCAT можно использовать любой стандартный инструмент Ethernet. Кроме того, существует бесплатное программное обеспечение для парсера Wireshark (ранее Ethereal, инструмент мониторинга с открытым исходным кодом) и Microsoft network monitor, с помощью которого можно удобно подготовить и отобразить записанный трафик данных EtherCAT.

Шлюзы

Используя шлюзы, существующие сети, такие как CANopen, DeviceNet или Profibus, могут быть легко интегрированы в среду EtherCAT. Кроме

того, шлюзы обеспечивают свободный от поездок путь миграции с традиционной полевой шины на EtherCAT, снижая дальнейшие инвестиционные затраты.

Благодаря производительности EtherCAT связь с внешними мастерами полевых шин осуществляется так же быстро, как и с традиционными картами, подключенными через PCI или другие магистральные шины. Поскольку децентрализованные интерфейсы полевых шин приводят к более коротким расширениям, они могут работать с еще более высокой скоростью передачи данных, чем это было бы возможно при традиционной архитектуре.

Реализация

Общая информация

EtherCAT Technology Group (ETG) поощряет 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 ведомого стека,

который Бекхофф (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/https/www.beckhoff.com/) бесплатно предоставляет членам ETG.

Мастер

Masters может быть реализован в виде программного решения на любом Ethernet MAC. Разные производители предоставляют код для разных операционных систем, включая несколько проектов с открытым исходным кодом.

Благодаря перемещенному отображению на ведомом оборудовании снижаются требования к производительности центрального процессора ведущего устройства. Мастер уже содержит данные в виде легко отсортированного образа процесса.

Для работы в сети ведущему устройству EtherCAT требуется структура данных циклического процесса, а также команды загрузки для каждого ведомого устройства. Эти команды могут быть экспортированы в файл сетевой информации EtherCAT (ENI) с помощью инструмента конфигурации EtherCAT, который использует файлы подчиненной информации EtherCAT (ESI) с подключенных устройств.

Подчинение

В отличие от работы стандартного Ethernet, ведомые устройства обрабатывают кадры EtherCAT "на лету". Это требует использования аппаратно интегрированных подчиненных контроллеров EtherCAT (ESC) в подчиненных устройствах. ЭСК также доступны в виде ASIC или на основе ПЛИС. С начала 2012 года также доступны стандартные микропроцессоры с ведомыми интерфейсами EtherCAT.

Для простых устройств дополнительный микроконтроллер не требуется. Однако в более сложных устройствах коммуникационная производительность EtherCAT практически не зависит от производительности используемого контроллера. Таким образом, требования к микроконтроллеру

определяются локальным применением, например управлением приводом.

Микроконтроллер EtherCAT

Существует выбор плат разработки, как от поставщиков подчиненных контроллеров EtherCAT, так и от сторонних поставщиков. Существуют также проекты с открытым исходным кодом для плат разработки подчиненных устройств EtherCAT, таких как госпредприятия и ArduCAT.

Примеры применения

Типичными областями применения EtherCAT являются средства управления машинами (например, полупроводниковые инструменты, металлообработка, упаковка, литье под давлением, сборочные системы, печатные машины, робототехника). Дистанционно управляемые горбатые дворовые сооружения используются в железнодорожной промышленности.

Контроль и регулирование

Для контроля и регулирования физических процессов требуется высокая целостность данных, их безопасность и синхронность. EtherCAT был разработан специально для такого рода приложений и отвечает всем требованиям быстрого управления.

Измерительные системы

Современные измерительные системы характеризуются многоканальностью, синхронностью и точностью. Благодаря передовым функциям протокола EtherCAT обеспечивается эффективная синхронная пропускная способность данных. Сетевые функции, основанные на Ethernet, позволяют создавать измерительную сеть с распределенными измерительными модулями.

EtherCAT Technology Group (ETG)

EtherCAT Technology Group (ETG) (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/https/www.ethercat.

org/) была основана в 2003 году и является промышленной организацией пользователей Ethernet с наибольшим количеством членов в современном мире.[4] Широкий спектр поставщиков промышленного контроля, OEM-производителей, машиностроителей и технологических организаций со всего мира составляют реестр членов ETG. ETG предлагает своим членам поддержку внедрения и обучение, организует тесты на совместимость (часто называемые "Plug Fests").[5]), а также способствует разработке и распространению технологии при поддержке ее членов и команд, работающих в офисах в Германии, Китае, Японии, Корее и Северной Америке. Конечные пользователи ETG охватывают множество отраслей промышленности, а машиностроители и поставщики мощных технологий управления объединяют усилия для поддержки и продвижения технологии EtherCAT. Разнообразие отраслей промышленности гарантирует оптимальную подготовку EtherCAT для самого

широкого спектра применений. Системные партнеры дают квалифицированную обратную связь для простой интеграции аппаратных и программных модулей во все необходимые классы оборудования. Инструмент тестирования соответствия EtherCAT (CTT), разработанный при содействии компаний-членов ETG, обеспечивает совместимость и соответствие протоколов устройств EtherCAT.

Международная стандартизация

EtherCAT Technology Group (ETG) является официальным партнером по связям с рабочими группами МЭК (Международная электротехническая

комиссия) по цифровой связи. EtherCAT-модуль спецификация была опубликована в качестве МЭК/пас 62407[8] в 2005 году, который был удален конце 2007 года с EtherCAT-модули были интегрированы в международную промышленную шину стандартов IEC 61158[9][10] и МЭК 61784-2[11] ,

а также в дисковод профиль стандарту IEC 61800-7.[12] эти МЭК стандарты были одобрены единогласно в сентябре и октябре 2007 года и опубликованы как есть (международные стандарты) в том же году. В соответствии с IEC 61800-7 EtherCAT-это стандартизированная коммуникационная технология для профилей приводов SERCOS и CANopen. EtherCAT также является частью стандарта ISO 15745-4[13] для описания устройств XML. Кроме того, SEMI добавила EtherCAT в свой портфель стандартов (E54.20)[14] и одобрила технологию для использования в оборудовании для производства полупроводников и плоских дисплеев. В апреле 2010 года было принято издание 2 IEC

61784-3[15], которое содержит протокол Safety over EtherCAT. В сентябре 2008 года профиль установки EtherCAT был представлен в IEC 61784-5[16].

Примечания

Ссылки

Büttner, H.; Janssen, D.; Rostan, M. (2003), "EtherCAT - the Ethernet fieldbus" (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru. 3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/https/www.pc-control.net/pdf/032003/pcc_0303_d.pdf) (PDF), PC Control Magazine, 3: 14-19

Janssen, D.; Büttner, H. (2004), "Real-time Ethernet: the EtherCAT solution", Computing & Control Engineering Journal, 15: 16-21, doi:10.1049/cce:20040104 (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/htt ps/doi.org/10.1049%2Fcce%3A20040104)

Ростан М. (2004), SEMI Technical Symposium: Innovations in Semiconductor Manufacturing (https://translated.turbopages.org/proxy_ u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/www.ethercat.org/pdf/english/Ethernet_for_Semi_0607.pdf) (PDF), Сан-

Франциско, Калифорния, США: SEMI

Potra, S.; Sebestyen, G. (2006), "Вопросы реализации протокола EtherCAT на встроенной платформе Linux", IEEE-TTTC International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics AQTR 2006, Cluj-Napora, Romania: IEEE, pp. 420-425

Robertz, S. G.; Nilsson, K.; Henriksson, R.; Blomdell, A. (2007), "Industrial robot motion control with real-time Java and EtherCAT",

12th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, Patras, Greece: IEEE

Beckmann, G.; Sachs, J. (2007), "The safety solution for EtherCAT" (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-6 21c8443-e84ef23c-74722d776562/www.ethercat.org/pdf/english/pcc0107_safety_over_ethercat_e.pdf) (PDF), PC Control Magazine, 1: 22-27

Сина, Джанлука; Cibrario Бертолотти, Иван; Scanzio, Стефано; Валенцано, Адриано; Зунино, Клаудио (2010), "на точность

распределенных часов механизм у EtherCAT", завод коммуникаций (WFCS), 2010 стандарта IEEE 8-й Международный семинар поНанси, Франция: стандарт IEEE, стр. 43-52, как doi:10.1109/WFCS.2010.5548638 (https://translated.turbopages.org/proxy_u/e

n-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/https/doi.org/10.1109%2FWFCS.2010.5548638), S2CID 14517885 (https://tra nslated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/https/api.semanticscholar.org/CorpusID: 14517885)

Внешние ссылки

EtherCAT Technology Group (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/w

ww.ethercat.org/)

Open EtherCAT Society (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/https/ openethercatsociety.github.io/), open source Master и Slave EtherCAT стеки для встраиваемого рынка

Мастер EtherCAT с открытым исходным кодом для Linux/Ядро реального времени (https://translated.turbopages.org/proxy_u /en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/www.etherlab.org/en/ethercat/index.php)

Быстрое прототипирование EtherCAT slave с ArduCAT (Arduino совместимая плата) (https://translated.turbopages.org/proxy_u /en-ru.ru.3cb3a697-621c8443-e84ef23c-74722d776562/https/wenku.baidu.com/view/927623e2336c1eb91a375da3.html)

Ethercat для связи с несколькими двигателями BLDC (https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3cb3a697-621c8443- e84ef23c-74722d776562/https/answers.ros.org/question/240550/elmo-motor-drive-ethercat-and-ros/#247496)

Извлечено из "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=EtherCAT&oldid=1060343316"

Последний раз эта страница редактировалась 14 декабря 2021 года, в 23:06 (UTC).

Текст доступен под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0; могут применяться дополнительные условия. Используя этот сайт, вы соглашаетесь с Условиями использования и Политикой конфиденциальности. Википедия® является зарегистрированной торговой маркой некоммерческой организации Wikimedia Foundation, Inc.