Prinsip Kerja EtherCAT
1. Prinsip operasi:
Ada sejumlah solusi Ethernet yang tersedia untuk menyediakan fungsi real-time: misalnya, proses akses CSMA / CD dinonaktifkan melalui lapisan protokol tingkat yang lebih tinggi dan diganti dengan proses pemotongan waktu atau polling. Solusi lain menggunakan switch khusus dan menggunakan kontrol waktu yang tepat untuk mendistribusikan paket Ethernet. Meskipun solusi ini dapat mengirim paket ke node Ethernet yang terhubung lebih cepat dan lebih akurat, penggunaan bandwidth sangat rendah, terutama untuk peralatan otomatisasi yang khas, karena bahkan untuk volume data yang sangat kecil, A frame Ethernet lengkap harus dikirim. Selain itu, waktu yang diperlukan untuk mengarahkan ke output atau pengendali drive dan membaca data input sangat bergantung pada mode eksekusi. Biasanya juga perlu menggunakan sub-bus, terutama dalam sistem I / O modular, sistem ini dan BeckhoFF K-bus, melalui sistem sub-bus sinkron untuk mempercepat kecepatan transmisi, tetapi sinkronisasi tersebut tidak akan dapat menghindari keterlambatan yang disebabkan oleh transmisi bus komunikasi.
Dengan menggunakan teknologi EtherCAT, BeckhoFF menerobos keterbatasan sistem ini dari solusi Ethernet lainnya: Daripada menerima paket Ethernet di setiap titik koneksi seperti sebelumnya, decoding dan menyalin sebagai data proses. Ketika frame melewati setiap perangkat (termasuk perangkat terminal yang mendasari), pengendali budak EtherCAT membaca data yang penting untuk perangkat. Demikian pula, data input dapat dimasukkan ke dalam pesan saat melewati. Ketika frame dilewatkan (hanya beberapa bit yang tertunda), slave mengenali perintah yang relevan dan memprosesnya. Proses ini diimplementasikan dalam perangkat keras dalam pengontrol slave dan karenanya tidak bergantung pada sistem operasi waktu nyata atau kinerja prosesor dari perangkat lunak stack protokol. Slave EtherCAT terakhir di segmen mengembalikan pesan yang diproses sepenuhnya sehingga pesan dikembalikan sebagai respons dari slave pertama ke master.
Dari perspektif Ethernet, segmen bus EtherCAT hanyalah sebuah perangkat Ethernet besar yang dapat menerima dan mengirim frame Ethernet. Namun, "perangkat" tidak termasuk kontroler Ethernet tunggal dengan mikroprosesor hilir, tetapi hanya sejumlah besar budak EtherCAT. Seperti Ethernet lainnya, EtherCAT dapat membangun komunikasi tanpa perlu switch, sehingga menciptakan sistem EtherCAT murni.
2. Terminal menerapkan Ethernet:
Setiap perangkat dari sistem menjamin penggunaan protokol Ethernet lengkap, bahkan untuk setiap terminal I / O, tanpa menggunakan sub-bus. Cukup mengkonversi media transmisi dari coupler dari twisted pair (100baseTX) ke E bus untuk memenuhi persyaratan blok terminal elektronik. Jenis sinyal bus E (LVDS) di blok terminal tidak dikhususkan, ia juga dapat digunakan untuk 10 Gigabit Ethernet. Di ujung blok terminal, karakteristik bus fisik diubah kembali ke standar 100baseTX.
Standar Ethernet MAC atau kartu jaringan standar murah (NIC) cukup untuk digunakan sebagai perangkat keras dalam controller. DMA (Direct Memory Access) digunakan untuk mentransfer data ke PC. Ini berarti bahwa akses jaringan tidak berpengaruh pada kinerja CPU. Prinsip yang sama digunakan dalam kartu multiport BeckhoFF, yang menggabungkan hingga 4 saluran Ethernet dalam satu slot PCI.
3. Pemrosesan protokol benar-benar dilakukan di perangkat keras
3.1 protokol:
Protokol EtherCAT dioptimalkan untuk data proses dan ditransfer langsung ke frame Ethernet atau dikompresi ke datagram UDP / IP. Protokol UDP digunakan ketika segmen EtherCAT dalam subnet lainnya ditangani oleh router. Sebuah frame Ethernet mungkin berisi beberapa pesan EtherCAT, yang masing-masing didedikasikan untuk area memori tertentu yang dapat digunakan untuk memprogram citra proses logis hingga 4GB. Karena rantai data tidak bergantung pada urutan fisik terminal EtherCAT, terminal EtherCAT dapat ditangani secara bebas. Stasiun slave dapat menyiarkan, multicast, dan berkomunikasi.
Protokol ini juga dapat menangani komunikasi parameter normal non-siklik. Struktur dan arti parameter ditetapkan oleh profil perangkat CANOPEN dan profil perangkat ini digunakan untuk berbagai kelas perangkat dan aplikasi. EtherCAT juga mendukung aturan dependen yang sesuai dengan standar IEC 61491. Profil ini dinamai setelah SERCOSTM dan secara universal diakui di dunia aplikasi kontrol gerak.
Selain pertukaran data sesuai dengan prinsip master / slave, EtherCAT juga sangat cocok untuk komunikasi antar kontroler (master / master). Proses bebas variabel jaringan data proses serta berbagai parameterisasi, diagnostik, pemrograman dan layanan remote control dapat memenuhi berbagai persyaratan. Antarmuka data untuk komunikasi master / slave dengan master / master adalah sama.
FMMU: Pemrosesan pesan benar-benar dilakukan di perangkat keras
3.2 kinerja:
EtherCAT telah mencapai ketinggian baru dalam kinerja jaringan. Siklus refresh 1000 data I / O terdistribusi hanya 30μs, termasuk waktu siklus terminal. Dengan frame Ethernet, hingga 1486 byte data proses dapat ditukar, yang sesuai dengan hampir 12.000 digital I / Os. Transmisi volume data ini hanya 300 μs.
Komunikasi dengan 100 sumbu servo hanya membutuhkan 100 μs. Selama waktu ini, tetapkan nilai dan data kontrol dapat diberikan ke semua sumbu dan posisi serta statusnya yang sebenarnya dapat dilaporkan. Teknologi jam terdistribusi memastikan bahwa waktu sinkronisasi antara sumbu ini menyimpang kurang dari 1 mikrodetik.
Memanfaatkan kinerja superior dari teknologi EtherCAT, adalah mungkin untuk menerapkan metode kontrol yang tidak dapat direalisasikan dengan sistem bus lapangan konvensional. Dengan cara ini, loop kontrol ultra cepat juga dapat dibentuk melalui bus. Fitur yang sebelumnya membutuhkan dukungan perangkat keras khusus lokal sekarang dapat dipetakan dalam perangkat lunak. Sumber daya bandwidth besar memungkinkan data status untuk ditransmisikan secara paralel dengan data apa pun. Teknologi EtherCAT memungkinkan teknologi komunikasi untuk mencocokkan PC industri modern berkinerja tinggi. Sistem bus tidak lagi menjadi penghambat konsep kontrol. Transfer data I / O terdistribusi melebihi kinerja yang hanya dapat dicapai oleh antarmuka I / O lokal.
Keuntungan kinerja jaringan ini terbukti dalam pengendali kecil dengan kekuatan komputasi yang relatif moderat. Lingkar kecepatan tinggi EtherCAT dapat diselesaikan antara dua siklus kontrol. Oleh karena itu, pengontrol selalu memiliki data masukan terbaru yang tersedia, dan penundaan dalam pengalamatan keluaran sangat minim. Perilaku respons pengendali secara signifikan meningkat tanpa perlu meningkatkan daya komputasi sendiri.
Prinsip teknologi EtherCAT adalah scalable, tidak terbatas pada bandwidth 100M - Ethernet yang diperluas ke Gigabit juga dimungkinkan.
3.3 EtherCAT menggantikan PCI:
Dengan percepatan miniaturisasi komponen PC, ukuran PC industri sangat tergantung pada jumlah slot yang dibutuhkan.
Penggunaan bandwidth Ethernet berkecepatan tinggi dan bandwidth data perangkat keras komunikasi EtherCAT (EtherCAT Slave Controller) membuka kemungkinan baru untuk aplikasi: antarmuka yang biasanya terletak di IPC ditransfer ke terminal antarmuka cerdas dalam sistem EtherCAT. Selain didistribusikan I / O, sumbu, dan unit kontrol, sistem kompleks seperti master fieldbus, antarmuka serial berkecepatan tinggi, gateway, dan antarmuka komunikasi lainnya dapat diatasi melalui port Ethernet pada PC. Bahkan perangkat Ethernet lain yang tidak terbatas pada varian protokol dapat dihubungkan melalui terminal switch terdistribusi. Ukuran host PC industri semakin kecil dan semakin kecil, dan biayanya semakin turun. Antarmuka Ethernet cukup untuk semua tugas komunikasi.
Ethernet digunakan sebagai pengganti perangkat fieldbus PCI (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i, dll.) Untuk diintegrasikan melalui terminal master fieldbus terdistribusi. Tidak menggunakan master fieldbus menyimpan slot PCI di PC.
3.4 Topologi:
Bus, pohon, atau bintang: EtherCAT mendukung hampir semua topologi. Oleh karena itu, struktur bus bus yang diturunkan dari lapangan juga dapat digunakan untuk Ethernet. Menggabungkan struktur bus dan percabangan sangat membantu untuk pemasangan kabel sistem. Semua antarmuka terletak pada penggandeng dan tidak diperlukan sakelar tambahan. Tentu saja, topologi Ethernet berbasis switch berbasis tradisional juga dapat digunakan.
Menggunakan kabel transmisi yang berbeda memaksimalkan fleksibilitas pemasangan kabel. Kabel patch Ethernet standar yang fleksibel dan murah dapat mengirimkan sinyal melalui mode Ethernet (100baseTX) atau melalui bus E. Serat optik (PFO) dapat digunakan untuk aplikasi khusus. Bandwidth Ethernet (misalnya, kabel serat optik dan kabel tembaga yang berbeda) dapat digunakan bersama dengan switch atau konverter media. Karakteristik fisik Fast Ethernet dapat membuat jarak antar perangkat mencapai 100 meter, sedangkan E-bus hanya dapat menjamin jarak 10 meter. Fast Ethernet atau E-bus dapat dipilih sesuai dengan persyaratan jarak. Sistem EtherCAT dapat menampung hingga 65.535 perangkat, sehingga seluruh jaringan hampir tidak terbatas
4. Pilihan topologi gratis
Ada fleksibilitas maksimum pada pemasangan kabel: apakah akan menggunakan switch, apakah akan menggunakan topologi bus atau topologi pohon. Penetapan alamat otomatis; tidak perlu mengatur alamat IP.
4.1 Jam Terdistribusi:
Sinkronisasi yang akurat sangat penting dalam proses distribusi di mana berbagai tindakan simultan diperlukan, seperti ketika beberapa sumbu servo melakukan tugas hubungan simultan.
Kalibrasi yang akurat dari jam terdistribusi adalah solusi paling efektif untuk sinkronisasi. Sebaliknya, jika sinkronisasi penuh digunakan, kualitas data sinkronisasi akan sangat terpengaruh ketika kesalahan komunikasi terjadi. Dalam sistem komunikasi, jam kalibrasi langkah demi langkah toleran terhadap keterlambatan kesalahan sampai batas tertentu. Dalam EtherCAT, pertukaran data sepenuhnya didasarkan pada perangkat keras murni. Karena komunikasi menggunakan struktur jaringan cincin yang logis, Fast-duplex Fast Ethernet, dan struktur jaringan cincin yang sebenarnya, "jam master" dapat secara sederhana dan akurat menentukan kompensasi operasi untuk setiap "slave clock" dan sebaliknya. Jam didistribusikan disesuaikan berdasarkan nilai ini, yang berarti dapat memberikan basis jam yang sangat akurat dengan kurang dari 1 mikrodetik jitter dalam jaringan.
Namun, jam didistribusikan kinerja tinggi tidak hanya digunakan untuk sinkronisasi, tetapi juga memberikan informasi akurat pada waktu setempat selama akuisisi data. Karena pengenalan tipe data diperpanjang baru, nilai yang terukur dapat diberikan dengan perangko waktu yang sangat akurat.
4.2 Koneksi panas:
Banyak aplikasi yang perlu mengubah konfigurasi I / O selama operasi. Misalnya, pusat pemrosesan dengan karakteristik yang berubah, sistem peralatan yang dilengkapi sensor, perangkat transmisi cerdas, aktuator benda kerja yang fleksibel, dan printer yang dapat secara independen menutup unit pencetakan. Sistem EtherCAT memperhatikan persyaratan ini: Fungsi "koneksi panas" dapat menghubungkan atau memutuskan berbagai bagian jaringan atau "secara dinamis" mengkonfigurasi ulang mereka untuk memberikan respons yang fleksibel terhadap perubahan konfigurasi.
4.3 Ketersediaan tinggi:
Redundansi kabel opsional memenuhi peningkatan permintaan untuk peningkatan ketersediaan sistem sehingga peralatan dapat diganti tanpa mematikan jaringan.
EtherCAT juga mendukung stasiun master redundan dengan siaga panas. Karena pengendali budak EtherCAT secara otomatis mengembalikan frame ketika interupsi ditemukan, kegagalan perangkat tidak akan menyebabkan seluruh jaringan untuk ditutup. Sebagai contoh, rantai perlindungan kabel dapat dikonfigurasikan secara khusus dalam bentuk bar pendek untuk mencegah kerusakan.
4.4 keamanan:
Fungsi keamanan umumnya diimplementasikan secara terpisah dari jaringan otomatisasi, melalui perangkat keras atau menggunakan sistem bus keamanan khusus. Berkat TwinSAFE (teknologi keamanan BeckhoFF), sekarang mungkin untuk menggunakan protokol keamanan EtherCAT untuk komunikasi yang berhubungan dengan keamanan dan komunikasi kontrol pada jaringan yang sama.
Protokol keamanan didasarkan pada lapisan aplikasi EtherCAT dan tidak mempengaruhi lapisan bawah. Protokol keamanan ini telah disertifikasi sesuai dengan IEC 61508 untuk mencapai tingkat integrasi keselamatan (SIL) 3 dan bahkan dapat mencapai SIL4 setelah mengambil tindakan yang relevan. Panjang data dapat bervariasi sehingga protokol ini juga berlaku untuk data keamanan I / O dan teknologi penggerak keamanan. Seperti data EtherCAT lainnya, data yang aman dapat dirutekan tanpa menggunakan router atau gateway aman.
4,5 Diagnosis:
Kemampuan diagnostik jaringan sangat penting untuk meningkatkan ketersediaan jaringan dan mengurangi waktu commissioning (sehingga mengurangi biaya keseluruhan). Kesalahan hanya dapat dieliminasi dengan cepat jika terdeteksi dan diidentifikasi dengan cepat dan akurat. Oleh karena itu, selama perkembangan EtherCAT, perhatian khusus diberikan kepada fitur diagnostik yang khas.
Selama operasi uji, konfigurasi sebenarnya dari terminal I / O diperiksa untuk kontinuitas menggunakan konfigurasi yang ditentukan. Topologi juga harus sesuai dengan konfigurasi. Karena identifikasi topologi yang tertanam, I / O dapat dikonfirmasikan ketika sistem dimulai atau ketika diinstal secara otomatis.
Kesalahan bit selama transmisi data dapat dideteksi dengan CRC 32-bit yang valid. Selain deteksi breakpoint dan lokasi, transmisi lapisan fisik dan topologi melalui protokol sistem EtherCAT membuat pemantauan berkualitas tinggi dari setiap segmen transmisi individu menjadi kenyataan. Dengan secara otomatis menganalisis penghitung kesalahan yang relevan, bagian jaringan yang penting dapat ditempatkan dengan tepat. Anda dapat mendeteksi dan menemukan sumber kesalahan konstan seperti gangguan EMC, konektor rusak, atau kabel yang rusak, meskipun mereka tidak memiliki dampak yang berlebihan pada kemampuan jaringan untuk menyembuhkan dirinya sendiri.
4.6 Keterbukaan:
Teknologi EtherCAT tidak hanya sepenuhnya kompatibel dengan Ethernet, tetapi juga memiliki karakteristik keterbukaan desain khusus: protokol ini dapat bekerja sama dengan protokol Ethernet lain yang menyediakan berbagai layanan, dan semua protokol hidup berdampingan dalam medium fisik yang sama - biasanya hanya Kinerja jaringan secara keseluruhan memiliki tingkat dampak kecil. Perangkat Ethernet standar dapat dihubungkan ke sistem EtherCAT melalui terminal switch, yang tidak mempengaruhi waktu siklus. Perangkat dengan antarmuka fieldbus tradisional dapat diintegrasikan ke jaringan melalui koneksi terminal master fieldbus EtherCAT. Varian protokol UDP memungkinkan perangkat diintegrasikan dalam antarmuka slot apa pun. EtherCAT adalah protokol terbuka penuh yang telah diidentifikasi sebagai spesifikasi resmi IEC (IEC / PAS62407).