مبدأ العمل إيثر كات
1. مبدأ العملية:
هناك عدد من حلول Ethernet المتوفرة لتوفير وظائف في الوقت الفعلي: على سبيل المثال ، يتم تعطيل عملية الوصول CSMA / CD عبر طبقة بروتوكول أعلى مستوى واستبدالها بشريحة زمنية أو عملية اقتراع. تستخدم الحلول الأخرى مفاتيح مخصصة وتستخدم التحكم الدقيق بالوقت لتوزيع حزم Ethernet. على الرغم من أن هذه الحلول يمكنها توصيل الحزم إلى عقد توصيل Ethernet بشكل أسرع وأكثر دقة ، فإن استخدام النطاق الترددي منخفض للغاية ، خاصة بالنسبة لمعدات التشغيل الآلي النموذجية ، لأنه حتى بالنسبة لأحجام البيانات الصغيرة جدًا ، يجب إرسال إطار Ethernet كامل. علاوة على ذلك ، يعتمد الوقت المطلوب لإعادة التوجيه إلى وحدة التحكم في الإخراج أو محرك الأقراص وقراءة بيانات الإدخال في المقام الأول على طريقة التنفيذ. عادة ما تحتاج أيضًا إلى استخدام ناقل فرعي ، خاصة في نظام الإدخال / الإخراج المعياري ، وهذه الأنظمة و BeckhoFF K-bus ، من خلال نظام النقل الفرعي المتزامن لتسريع سرعة الإرسال ، ولكن هذه المزامنة لن تكون قادرة على تجنب التأخير الناجم عن انتقال ناقل الاتصالات.
باستخدام تقنية EtherCAT ، اخترق BeckhoFF قيود النظام هذه للحلول الأخرى Ethernet: بدلاً من تلقي حزم Ethernet في كل نقطة اتصال كما كان من قبل ، فك التشفير والنسخ كبيانات عملية. عندما يمر إطار عبر كل جهاز (بما في ذلك الجهاز الطرفي الأساسي) ، فإن وحدة تحكم الرقيق في EtherCAT تقوم بقراءة البيانات المهمة للجهاز. وبالمثل ، يمكن إدخال بيانات الإدخال في الرسالة أثناء مرورها. عندما يتم تمرير الإطار (يتأخر عدد قليل فقط) ، يتعرف الرقيق على الأمر المعني ويقوم بمعالجته. يتم تنفيذ هذه العملية في الأجهزة في وحدة تحكم الرقيق ، وبالتالي فهي مستقلة عن نظام التشغيل في الوقت الحقيقي أو أداء المعالج لبروتوكول البروتوكول. يعود آخر رقيق EtherCAT في المقطع إلى الرسالة التي تمت معالجتها بالكامل بحيث يتم إرجاع الرسالة كاستجابة من الرقيق الأول إلى الشريحة الرئيسية.
من منظور Ethernet ، يعتبر جزء الناقل EtherCAT ببساطة جهاز Ethernet كبير يمكنه استقبال إطارات Ethernet وإرسالها. ومع ذلك ، لا يتضمن "الجهاز" وحدة تحكم إيثرنت واحدة مع المعالج الصغري المتلقين للمعلومات ، ولكن فقط عدد كبير من العبيد EtherCAT. مثل أي إيثرنت آخر ، يمكن أن ينشئ EtherCAT الاتصال دون الحاجة إلى تبديل ، وبالتالي خلق نظام EtherCAT النقي.
2. محطات تطبيق إيثرنت:
يضمن كل جهاز من النظام استخدام بروتوكول Ethernet كامل ، حتى بالنسبة لكل محطة دخل / خرج ، دون استخدام ناقل فرعي. ببساطة ، قم بتحويل وسيط الإرسال لقارنة التوصيل من زوج ملتوي (100baseTX) إلى E bus لتلبية متطلبات وحدة طرفية إلكترونية. لا يتم تخصيص نوع إشارة الناقل E (LVDS) في وحدة طرفية ، كما يمكن استخدامه أيضًا لـ 10 Gigabit Ethernet. في نهاية كتلة المحطة الطرفية ، يتم تحويل خصائص bus الفعلية إلى القياسي 100baseTX.
تعتبر أجهزة Ethernet القياسية أو بطاقات الشبكة القياسية غير القياسية (NIC) كافية للاستخدام كأجهزة في وحدة التحكم. يتم استخدام DMA (الوصول المباشر للذاكرة) لنقل البيانات إلى الكمبيوتر الشخصي. هذا يعني أن الوصول إلى الشبكة ليس له أي تأثير على أداء وحدة المعالجة المركزية. يتم استخدام نفس المبدأ في بطاقة BeckhoFF متعددة المنافذ ، والتي تضم ما يصل إلى 4 قنوات Ethernet في فتحة PCI واحدة.
3. يتم تنفيذ معالجة بروتوكول بالكامل في الأجهزة
بروتوكول 3.1:
تم تحسين بروتوكول EtherCAT لبيانات العملية ويتم نقله مباشرة إلى إطارات Ethernet أو مضغوط في مخططات بيانات UDP / IP. يتم استخدام بروتوكول UDP عند معالجة جزء EtherCAT في الشبكات الفرعية الأخرى بواسطة جهاز التوجيه. قد يحتوي إطار Ethernet على عدة رسائل EtherCAT ، كل منها مخصص لمساحة ذاكرة محددة يمكن استخدامها لبرمجة صورة عملية منطقية يصل حجمها إلى 4 جيجابايت. بما أن سلسلة البيانات مستقلة عن التسلسل المادي لمطاريف EtherCAT ، يمكن معالجة مطاريف EtherCAT بحرية. يمكن لمحطات العبيد البث والبث المتعدد والتواصل.
يمكن للبروتوكول أيضًا التعامل مع اتصالات المعلمات غير الدورية بشكل طبيعي. يتم تعيين بنية المعلمات ومعناها بواسطة الملف الشخصي لجهاز CANOPEN ويتم استخدام ملفات تعريف الأجهزة هذه لمجموعة متنوعة من فئات وتطبيقات الأجهزة. كما يدعم EtherCAT القواعد التابعة التي تتوافق مع معيار IEC 61491. تم تسمية الملف الشخصي باسم SERCOSTM وهو معروف عالميًا في عالم تطبيقات التحكم في الحركة.
بالإضافة إلى تبادل البيانات وفقا لمبدأ السيد / العبد ، EtherCAT هي أيضا مناسبة جدا للاتصال بين وحدات التحكم (سيد / ماجستير). يمكن لمتغيرات شبكة البيانات العملية القابلة للمعالجة الحرة بالإضافة إلى العديد من خدمات المعلمات والتشخيص والبرمجة والتحكم عن بعد تلبية العديد من المتطلبات. واجهة البيانات للاتصال الرئيسي / الرقيق مع الرئيسي / الرئيسي هو نفسه.
FMMU: يتم تنفيذ معالجة الرسائل بشكل كامل في الأجهزة
3.2 الأداء:
وصلت EtherCAT إلى ارتفاع جديد في أداء الشبكة. تبلغ دورة تحديث 1000 من بيانات الإدخال / الإخراج الموزعة 30 ثانية فقط ، بما في ذلك وقت دورة المطراف. مع إطار Ethernet ، يمكن تبادل ما يصل إلى 1486 بايت من بيانات العملية ، والتي تقابل ما يقرب من 12000 I / Os الرقمي. يبلغ حجم نقل البيانات هذا 300 μs فقط.
الاتصال مع 100 محاور مؤازرة لا يستغرق سوى 100 ميكرو ثانية. خلال هذا الوقت ، يمكن توفير قيم ضبط وبيانات تحكم لجميع المحاور ، ويمكن الإبلاغ عن وضعها الفعلي وحالتها. تضمن تقنية الساعة الموزعة أن زمن التزامن بين هذه المحاور ينحرف بأقل من 1 ميكروثانية.
باستخدام الأداء الفائق لتقنية EtherCAT ، يمكن تطبيق طريقة تحكم لا يمكن تحقيقها باستخدام نظام ناقل المجال التقليدي. وبهذه الطريقة ، يمكن أيضًا تشكيل حلقة تحكم فائق السرعة عبر الحافلة. يمكن الآن تعيين الميزات التي كانت في السابق مطلوبة دعم الأجهزة المخصصة المحلية في البرنامج. تسمح موارد النطاق الترددي الضخمة بتحويل بيانات الحالة بالتوازي مع أي بيانات. تمكن تقنية EtherCAT تكنولوجيا الاتصال من التوافق مع أجهزة الكمبيوتر الصناعية الحديثة عالية الأداء. لم يعد نظام الحافلات عنق الزجاجة لمفهوم التحكم. يتجاوز نقل بيانات الإدخال / الإخراج الموزعة الأداء الذي لا يمكن تحقيقه إلا من خلال واجهة الإدخال / الإخراج المحلية.
تتجلى ميزة أداء الشبكة هذه في وحدات التحكم الصغيرة ذات طاقة الحوسبة المعتدلة نسبياً. يمكن إكمال حلقة EtherCAT عالية السرعة بين دورتين تحكم. لذلك ، تحتوي وحدة التحكم دائمًا على أحدث بيانات الإدخال المتاحة ، ويكون التأخير في معالجة المخرجات ضئيلاً. تم تحسين سلوك استجابة المراقب بشكل كبير دون الحاجة إلى تعزيز قوة الحوسبة الخاصة به.
مبدأ تكنولوجيا EtherCAT قابل للتوسع ، لا يقتصر على عرض النطاق الترددي 100M - من الممكن أيضًا تمديد Ethernet إلى Gigabit.
3.3 EtherCAT يستبدل PCI:
مع تسارع تصغير مكونات الكمبيوتر ، يعتمد حجم أجهزة الكمبيوتر الصناعية بشكل أساسي على العدد المطلوب من الفتحات.
إن استخدام عرض النطاق الترددي Ethernet عالي السرعة وعرض نطاق البيانات الخاصة بأجهزة الاتصالات EtherCAT (وحدة تحكم الرقيق EtherCAT) يفتح إمكانيات جديدة للتطبيق: يتم نقل الواجهات التي توجد عادةً في IPC إلى مطاريف الواجهة الذكية في نظام EtherCAT. بالإضافة إلى وحدات الإدخال / الإخراج ، والفؤوس ، ووحدات التحكم ، يمكن معالجة الأنظمة المعقدة مثل أساتذة fieldbus ، والواجهات التسلسلية عالية السرعة ، والبوابات ، وواجهات الاتصال الأخرى من خلال منفذ Ethernet على الكمبيوتر. يمكن توصيل أجهزة Ethernet الأخرى التي لا تقتصر على المتغيرات البروتوكول من خلال محطات المحولات الموزعة. حجم مضيف الكمبيوتر الصناعي يصبح أصغر فأصغر ، والتكلفة تصبح أقل وأقل. واجهة Ethernet كافية لجميع مهام الاتصال.
يتم استخدام Ethernet بدلاً من أجهزة ناقل المجال PCI (Profibus و CANOPEN و DeviceNet و AS-i وما إلى ذلك) للتكامل عبر المحطات الرئيسية الموزعة في ناقل المجال. عدم استخدام حقل fieldbus يحفظ فتحات PCI في جهاز الكمبيوتر.
3.4 طوبولوجيا:
حافلة أو شجرة أو نجمة: يدعم EtherCAT أي طبولوجيا تقريبًا. لذلك ، يمكن أيضًا استخدام بنية الناقل المشتقة من الحقل لإيثرنت. إن الجمع بين البُنى والهياكل المتفرعة مفيد بشكل خاص لكابلات النظام. توجد جميع الواجهات على قارنة التوصيل ولا يلزم تبديل إضافي. وبالطبع ، يمكن أيضًا استخدام طبولوجيا نجمة Ethernet التقليدية القائمة على التبديل.
يزيد استخدام كابلات الإرسال المختلفة من مرونة الكبلات. يمكن أن يقوم كابل التصحيح القياسي Ethernet القياسي وغير المرن بإرسال الإشارات عبر وضع Ethernet (100baseTX) أو عن طريق ناقل E. يمكن استخدام الألياف البصرية (PFO) للتطبيقات الخاصة. يمكن استخدام عرض النطاق الترددي إيثرنت (على سبيل المثال ، كابلات الألياف البصرية المختلفة والكابلات النحاسية) بالتزامن مع المحولات أو محولات الوسائط. يمكن للخصائص الفيزيائية لـ Fast Ethernet أن تجعل المسافة بين الأجهزة تصل إلى 100 متر ، في حين أن E-bus يمكنها فقط ضمان التباعد لمسافة 10 أمتار. يمكن اختيار Ethernet أو E-bus السريع وفقًا لمتطلبات المسافة. يمكن أن يستوعب نظام EtherCAT ما يصل إلى 65.535 جهازًا ، لذا فإن الشبكة بأكملها غير محدودة تقريبًا
4. حرية اختيار طوبولوجيا
هناك الحد الأقصى من المرونة على الكبلات: سواء لاستخدام مفاتيح ، سواء لاستخدام الطوبولوجيا أو الطوبولوجيا شجرة. تعيين عنوان تلقائي لا حاجة لتعيين عنوان IP.
4.1 الساعة الموزعة:
تزامن دقيق مهم بشكل خاص في عملية التوزيع حيث تتطلب مجموعة واسعة من الإجراءات المتزامنة ، مثل عندما تقوم عدة محاور مؤازرة بمهام الربط المتزامن.
المعايرة الدقيقة للساعة الموزعة هي الحل الأكثر فعالية للتزامن. وعلى العكس ، إذا تم استخدام التزامن الكامل ، ستتأثر جودة بيانات المزامنة بشكل كبير عند حدوث أخطاء في الاتصال. في نظام الاتصالات ، تتسامح ساعة المعايرة خطوة بخطوة مع تأخير الخطأ إلى حد ما. في EtherCAT ، يعتمد تبادل البيانات بالكامل على الأجهزة الصلبة. بما أن الاتصال يستخدم بنية شبكة رنين منطقية ، وإيثرنت سريع متكامل ، وبنية شبكة حلقية فعلية ، فإن "الساعة الرئيسية" يمكن أن تحدد بدقة وبدقة تعويض العملية لكل "ساعة رقيق" والعكس بالعكس. يتم ضبط الساعة الموزعة على أساس هذه القيمة ، مما يعني أنها يمكن أن توفر قاعدة ساعة دقيقة للغاية مع أقل من 1 ميكروثانية غضب في الشبكة.
ومع ذلك ، لا تستخدم الساعات الموزعة عالية الأداء فقط للتزامن ، ولكنها توفر أيضًا معلومات دقيقة عن الوقت المحلي أثناء الحصول على البيانات. نظرًا لإدخال أنواع بيانات موسعة جديدة ، يمكن تعيين القيم المقاسة بطوابع زمنية دقيقة للغاية.
4.2 اتصال ساخن:
تتطلب العديد من التطبيقات تغيير تكوين I / O أثناء العملية. على سبيل المثال ، مركز معالجة يتسم بخصائص متغيرة ، ونظام أداة مجهز بالاستشعار ، وجهاز إرسال ذكي ، ومشغل مرخص لقطعة العمل ، وطابعة يمكنها إغلاق وحدة الطباعة بشكل مستقل. يأخذ نظام EtherCAT هذه المتطلبات في الحسبان: يمكن لوظيفة "الاتصال الساخن" الاتصال أو قطع الأجزاء المختلفة للشبكة أو إعادة تكوينها بشكل ديناميكي لتوفير استجابة مرنة لتغيير التكوينات.
4.3 التوفر العالي:
يفي التكرار الاختياري للكبل بالطلب المتزايد على زيادة توفر النظام بحيث يمكن استبدال المعدات دون إيقاف تشغيل الشبكة.
كما يدعم EtherCAT المحطات الرئيسية المتكررة مع الاستعداد الساخن. نظرًا لأن وحدة تحكم slash EtherCAT تقوم تلقائيًا بإرجاع الإطارات عند مواجهة مقاطعة ، فإن فشل الجهاز لن يتسبب في إيقاف تشغيل الشبكة بالكامل. على سبيل المثال ، يمكن تكوين سلسلة حماية الكابلات بشكل خاص في شكل شريط قصير لمنع الكسر.
4.4 السلامة:
يتم تنفيذ وظائف الأمان بشكل منفصل بشكل منفصل عن شبكة التشغيل التلقائي ، من خلال الأجهزة أو باستخدام نظام ناقل أمان مخصص. بفضل TwinSAFE (تقنية أمان BeckhoFF) ، أصبح من الممكن الآن استخدام بروتوكول أمان EtherCAT للاتصالات ذات الصلة بالأمان ، اتصال d للتحكم في نفس الشبكة.
يعتمد بروتوكول الأمان على طبقة تطبيق EtherCAT ولا يؤثر على الطبقات السفلى. وقد تم اعتماد بروتوكول السلامة هذا وفقًا للمواصفة القياسية IEC 61508 لتحقيق مستوى تكامل السلامة (SIL) 3 ويمكن حتى أن يصل إلى SIL4 بعد اتخاذ التدابير ذات الصلة. يمكن أن يختلف طول البيانات بحيث ينطبق البروتوكول بنفس القدر على تقنية إدخال / إخراج السلامة وأمان البيانات. مثل بيانات EtherCAT الأخرى ، يمكن توجيه البيانات الآمنة بدون استخدام جهاز توجيه أو بوابة آمنة.
4.5 التشخيص:
تعد إمكانيات التشخيص الخاصة بالشبكة مهمة للغاية لتعزيز إتاحة الشبكة وتقليل وقت التكليف (وبالتالي تقليل التكاليف الإجمالية). لا يمكن التخلص من الأخطاء إلا إذا تم اكتشافها بسرعة وبشكل دقيق وتحديدها بوضوح. لذلك ، خلال تطوير EtherCAT ، تم إيلاء اهتمام خاص لميزات التشخيص النموذجية.
أثناء عملية الاختبار ، يتم التحقق من التكوين الفعلي لمحطة الإدخال / الإخراج للاستمرارية باستخدام التكوين المحدد. يجب أن تطابق الهيكل أيضًا التكوين. نظرًا لتعريف الطوبولوجيا المضمنة ، يمكن تأكيد الإدخال / الإخراج عند بدء تشغيل النظام أو عند تثبيته تلقائيًا.
يمكن الكشف عن أخطاء البت أثناء نقل البيانات باستخدام CRC 32 بت صالح. بالإضافة إلى الكشف عن نقطة القطع وموقعها ، فإن نقل الطبقة المادية والطوبولوجيا عبر بروتوكول نظام EtherCAT يجعل من المراقبة عالية الجودة لكل جزء إرسال فردي حقيقة. من خلال تحليل عدادات الأخطاء ذات الصلة تلقائيًا ، يمكن تحديد موقع جزء الشبكة المهم بدقة. يمكنك اكتشاف وتحديد مصادر الأخطاء المستمرة مثل تداخل EMC أو الموصلات المعيبة أو الكبلات التالفة ، حتى إذا لم يكن لها تأثير مفرط على قدرة الشبكة على شفاء نفسها.
4.6 الانفتاح:
لا تتوافق تقنية EtherCAT بالكامل مع Ethernet فحسب ، بل تتميز أيضًا بخصائص انفتاح التصميم الخاصة: يمكن أن يتعايش هذا البروتوكول مع بروتوكولات Ethernet الأخرى التي توفر خدمات متنوعة ، وجميع البروتوكولات تتواجد في نفس الوسط المادي - عادةً فقط. درجة صغيرة من التأثير. يمكن توصيل جهاز Ethernet القياسي بنظام EtherCAT من خلال طرف التبديل ، والذي لا يؤثر على وقت الدورة. يمكن دمج الأجهزة ذات الواجهة الميدانية التقليدية في الشبكة من خلال توصيل المحطة الرئيسية لحامل EtherCAT. يسمح متغير بروتوكول UDP بتكامل الجهاز في أي واجهة فتحة. EtherCAT عبارة عن بروتوكول مفتوح بالكامل تم تعريفه كمواصفات رسمية لـ IEC (IEC / PAS62407).