Regeneracja wrzecion i elektrowrzecion, sprzedaż maszyn CNC, obrabiarki, maszyny, naprawa elektrowrzeciona, serwis

EtherCAT - Ethernet w czasie rzeczywistym:

EtherCAT - Ethernet w czasie rzeczywistym:

EtherCAT - Ethernet w czasie rzeczywistym:

ultra-wysoka prędkość wymiany danych wprost z fizycznych wejść/wyjść

Pierwsza oficjalna prezentacja nowej platformy komunikacyjnej firmy Beckhoff miała miejsce na międzynarodowych targach w Hannowerze w kwietniu 2003 roku. EtherCAT wyróżnia się niespotykanymi osiągami, bardzo prostym okablowaniem i otwartością na inne protokoły. Rozpoczyna swoje istnienie w miejscu, gdzie konwencjonalne systemy sieciowe osiągnęły pułap swoich możliwości.

Właściwości mówią same za siebie: 1000 I/O binarnych w 30us, typowy przewód w postaci skrętki lub opcjonalnie światłowód, oraz dzięki wykorzystaniu technologii ethernetowych i internetowych, optymalna integracja pionowa sieci. EtherCAT daje możliwość użycia zarówno droższej topologii typu gwiazda, jak i tańszej szeregowej. Ponadto EtherCAT wykorzystuje standardowe karty sieciowe (NIC), podczas gdy rozwiązania innych firm wymagają drogich, specjalizowanych kart.

Zasada pracy sieci EtherCAT
Technologia użyta w EtherCAT przezwycięża ograniczenia systemowe innych rozwiązań z użyciem ethernetu: pakiet danych nie jest już odbierany, interpretowany i powielany jako dana procesowa w każdym węźle sieci. Nowo wynaleziona technika FMMU (fieldbus memory management unit) pozwala wydobyć (lub wpisać) dedykowane dane przez każdy terminal w trakcie ,,przepływu” telegramu. Wprowadza to zaledwie nanosekundowe opóźnienia w przepływie telegramu poprzez poszczególne terminale. Jest to istotne, biorąc pod uwagę fakt, że EtherCAT pozwala na rozbudowę sieci do niebotycznej wręcz liczby 65535 urządzeń. Rozwiązanie to pozwala firmie Beckhoff być o krok naprzód w stosunku do konkurencji stosującej inne podejścia do uzyskania determinizmu czasowego platformy ethernet.

Ethernet z poziomu I/O – pełna ciągłość sygnału
Odpowiednikiem magistrali Ethernet jest z poziomu terminali magistrala E-bus, przesyłająca te same dane, ale w innej postaci elektrycznej. Pierwszy węzeł sieci, tutaj Bus Coupler (BK), dokonuje konwersji sygnału przychodzącego skrętką lub światłowodem na sygnał elektryczny właściwy dla E-bus. Sygnał ten można przesyłać również skrętką, ale na odległości do ~10m. Patrząc z poziomu terminali i posługując się dużym przybliżeniem można powiedzieć, że E-bus jest jakby ideowym odpowiednikiem magistrali K-bus. Podobnie jak w przypadku K-bus, możliwa jest łatwa i mało kosztowna rozbudowa układu o kolejne wejścia/wyjścia. Patrząc od strony sterownika, którym jest w tym przypadku komputer przemysłowy, rozbudowa sieci odbywa się niskim kosztem, dzięki użyciu typowych kart sieciowych. Ponadto wymiana danych w kartach sieciowych w standardzie PCI odbywa się poprzez DMA i nie obciąża CPU komputera.
Karty NIC używają sterownika TwinCAT Y, współpracującego zarówno z systemem operacyjnym (tak jak standardowy sterownik karty sieciowej), jak i z jądrem czasu rzeczywistego (tak jak sterowniki innych protokołów sieciowych w ramach środowiska TwinCAT). Ramki czasu rzeczywistego mają wyższy priorytet od klasycznych ramek ethernet’owych, które będą przesyłane w drugiej kolejności, o ile wystarczy na to czasu. Po stronie odbiornika następuje aktywna filtracja ramek – ramki czasu rzeczywistego są odpowiednio interpretowane, podczas gdy pozostałe są przepuszczane dalej.
Ponieważ nie naruszona zostaje funkcjonalność systemowego ethernetu, wszystkie protokoły kompatybilne z systemem mogą być przesyłane równolegle po tych samych fizycznych łączach (TCP/IP, http, ftp, SOAP oraz przemysłowe odmiany np. Modbus TCP, ProfiNet, EthernetIP …).

1000 I/O w 30us - 200 analogowych I/O w 50us – 100 osi w 100us
EtherCAT osiąga nowe płaszczyzny wydajności w przesyle danych. Dzięki zastosowaniu w terminalach techniki FMMU oraz DMA w kartach sieciowych, obsługa protokołu odbywa się w pełni sprzętowo. Pojedyńcza ramka ethernet’owa może zawierać do 1486 bajtów danych procesowych – odpowiada to stanowi 12000 binarnych I/O. Transfer takiej ilości danych zabiera tylko 300us.
Wymiana informacji o stanie 100 osi serwo trwa 100us. W tym czasie przekazywane są wszystkie niezbędne do pracy osi zmienne (prędkość, położenie, stan pracy itp.; 1 oś to 256 bajtów danych). Specjalnie opracowana technika zegara rozproszonego pozwala zsynchronizować osie z dewiacją mniejszą niż 1us.
Wraz z pojawieniem się technologii EtherCAT znika wąskie gardło na drodze wymiany danych w postaci relatywnie wolnych deterministycznych sieci komunikacyjnych. Charakterystyczna dla firmy Beckhoff idea skalowalności jest widoczna i tutaj – wykorzystywane dziś szybkości transmisji do 100Mbaud można będzie w przyszłości łatwo rozszerzyć na poziom GB.

Precyzyjna synchronizacja poprzez zegar rozproszony
Dokładna synchronizacja jest szczególnie istotna w przypadku bardzo rozproszonego procesu, wymagającego jednoczesnych działań, jak np. w przypadku wzajemnie zależnej trajektorii ruchu układu wieloosiowego.
W protokole EtherCAT wykorzystano ideę, opartych o rozwiązania sprzętowe, zegarów ,,matka” i ,,córka”. Każdy z zegarów może prosto i dokładnie w czasie rzeczywistym określić czas pozostałych zegarów dzięki pierścieniowej logicznej strukturze przesyłu informacji w sieci ethernet. Dzięki tym danym możliwe jest ograniczenie rozstrojenia zegarów poniżej 1us.
Wysokiej dokładności zegary rozproszone wykorzystywane są m.in.  jako stemple czasowe, pozwalając obliczyć np. na podstawie kolejnych wartości położenia prędkość i przyspieszenie, z dużo wyższą niż dotychczas dokładnością i częstotliwością progową. Wraz z wpowadzeniem EtherCAT Beckhoff wprowadza nowy typ zmiennej czasu o rozdzielczości 10ns.

Podłączanie on-line i diagnostyka
Jedną z istotnych cech sieci EtherCAT jest możliwość podłączania i rozłączania ,,w locie” dowolnych fragmentów sieci z w pełni skalowalną obsługą zdarzeń, związanych ze zmianami w konfiguracji sprzętowej układu. I to bez przerywania pracy pozostałej ,,czynnej” części sieci. Predestynuje to EtherCAT’a do zastosowań w układach, w których dochodzi np. do częstej wymiany fragmentów urządzenia, wyposażonych w zabudowane czujniki (rozbudowane narzędzia w zaawansowanych centrach obróbczych, zużywające się często sondy pomiarowe itp.).

W trakcie prac rozwojowych szczególny nacisk położono na możliwości diagnostyczne w EtherCAT. Bogate doświadczenia zdobyte przy wdrażaniu innych protokołów przemysłowych wykazały istotny wpływ możliwości diagnostycznych na czas uruchomienia danego typu połączenia sieciowego. Weryfikacja struktury wejść/wyjść jest możliwa zarówno przy inicjacji sieci jak i automatycznie podczas pracy. Przekłamania w przesyle danych są nadzorowane przez 32 bitową sumę kontrolną. Automatyczna ocena zegarów błędów pozwala na precyzyjną lokalizację krytycznych fragmentów sieci (miejsca wrażliwe na załócenia EMC, wadliwe wtyczki, uszkodzenia w przewodach …).

Istotne cechy EtherCAT
Osiągi
256 binarnych I/O w 12us
1000 binarnych I/O w 30us
200 analogowych I/O w 50us (16bit, 20kHz)
100 osi w 100us
12000 binarnych w 350us
przepustowość: 10kB/ms, rozsyłane do 1500 urządzeń

Topologia
Szeregowa, drzewo, gwiazda
Do 65535 urządzeń
Rozpiętość sieci: > 500km
Praca z użyciem switch’y lub bez
Tanie okablowanie (CAT 5)
Ethernet 100BASE-TX, do 100m pomiędzy węzłami
E-bus, do 10m pomiędzy węzłami
Opcjonalnie światłowód, 50 do 2000m
Podłączanie/odłączanie ,,w locie”

Przestrzeń adresowa
Obraz procesu sieci: 4 GB
Obraz procesu urządzenia: 2 bity … 64kB
Adresowanie: automatycznie, programowe

Protokół
Optymalizowany w ramach ramki Ethernet
W pełni sprzętowa implementacja
Interpretacja ,,w locie”
Rozproszony zegar
10ns stempel czasowy

Diagnostyka
Detekcja przerwy
Ciągła kontrola jakości linii

Interfejsy
Terminal typu Hub (standardowy ethernet)
Terminal Master/Slave innej sieci (Profibus, CAN Open …)
Rozproszone interfejsy szeregowe
Rozproszone bramy komunikacyjne

Otwartość
Pełna kompatybilność z ethernet
Współpraca z urządzeniami switch/router
Równoległa współpraca z innymi protokołami
Technologie internetowe (web server, ftp …)
Współpraca z obecną gamą terminali