EtherCAT
EtherCAT (англ. Ethernet for Control and Automation Technology) — стандарт промышленной сети, относящийся к семейству Industrial Ethernet. Используется для управления технологическими процессами в режиме жёсткого реального времени, что особенно важно при работе с быстродействующим и высокоточным оборудованием. Впервые EtherCAT был представлен в апреле 2003 года немецкой компанией Beckhoff Automation. С 2007 года на базе отраслевого стандарта Beckhoff Automation был разработан международный стандарт МЭК IEC61158[1].
В настоящее время пакет EtherCAT поддерживается и распространяется компанией «EtherCAT Technology Group (ETG)»[2].
Основная задача, решаемая посредством EtherCAT — осуществление короткого времени цикла обмена данными (< 100 мкс) и низкого уровня джиттера (англ. jitter — дрожание — нежелательные фазовые или частотные отклонения передаваемого сигнала).
Благодаря точной синхронизации при передаче сигнала EtherCAT позволяет осуществлять одномоментную коммуникацию между разными устройствами — датчиками, приводами подач, сервоклапанами, преобразователями перемещений. Протокол поддерживает разные сетевые топологии, включая древовидную, кольцевую, линейную и звезду, а также их различные комбинации.
Принцип функционирования в режиме реального времени
Архитектура сети построена по принципу «master—slave» (ведущий — ведомый). «Master» EtherCAT — единственное устройство в сегменте, которому разрешено активно отправлять дейтаграмму (англ. datagram — поток без предварительной установки соединения), проходящую через каждое ведомое устройство «slave» и в которой прописаны адреса ведомых устройств и данные для них. При этом ведущее устройство «master» использует стандартный сетевой интерфейс Ethernet без дополнительного коммуникационного процессора, что позволяет применить в качестве ведущего устройства любой ПК.
В отличие от режима, когда дейтаграмма Ethernet сначала принимается, затем интерпретируется и далее отправляется ответный пакет, каждое ведомое устройство EtherCAT считывает адресованные ему данные, а также вставляет свои данные в кадр по мере его перемещения по сети «на лету», без остановки для промежуточной буферизации. Ведомые устройства для обеспечения такого принципа обработки используют специализированные микросхемы — ведомые контроллеры EtherCAT (EtherCAT Slave Controller), оснащённые двухпортовой памятью DPRAM (Dual-ported Random Access Memory). Кадры при этом практически не задерживаются, аппаратная задержка измеряется наносекундами[3].
Ведомые узлы пересылают кадры последовательно от одного к другому. Последнее ведомое устройство возвращает кадр ведущему устройству, которое таким образом определяет, что цикл обмена данными завершён. Необходимая точность при пересылке достигается посредством системы распределённых часов (Distributed Clock) — внутренних часов микросхем ведомых контроллеров EtherCAT. За счёт локального хранения точного времени внутри каждого из устройств, согласованные часы обладают высокой степенью устойчивости к возможным задержкам вследствие ошибок и кратковременных сбоев связи. При проведении сеанса связи ведущее устройство «master» производит проверку и корректировку системных часов в ведомых устройствах, что обеспечивает синхронизацию во всей сети со сдвигом не более 1 мкс[4].
Протокол EtherCAT
Протокол EtherCAT использует Ethernet-фреймы (англ. frame — рамка, структура) и физический уровень, определенный сетевой моделью OSI. Но в дополнение к этому протокол соответствует специфическим требованиям, предъявляемым к системам автоматизации, в которых:
- существует необходимость в работе в режиме с детерминированным (определённым, от лат. determinans— определяющий) временем отклика;
- существует необходимость обслуживания множества узлов, каждый из которых обрабатывает небольшую по объёму входную управляющую информацию и осуществляет вывод статуса состояния узла[5].
Протокол EtherCAT может работать как в режиме реального времени, так и в режиме, полностью совместимом с Ethernet и позволяющим использовать уровни UDP/IP.
EtherCAT оперирует пакетами, передаваемыми непосредственно внутри стандартной дейтаграммы Ethernet. Пакеты содержат в себе информацию для записи в ведомые устройства, а также доступны для чтения текущих данных. В режиме реального времени доступ к каждому ведомому устройству осуществляется посредством прямой аппаратной адресации. Если для обработки циклических данных не требуется режим жёсткого реального времени, возможен доступ к нескольким ведомым устройствам, осуществляемый посредством логической адресации (неявной адресации). При этом каждая дейтаграмма адресует вспомогательное адресное пространство (образ процесса) в сегменте сети EtherCAT, для которого доступно 4 Гбайт памяти. Помимо циклических данных, для асинхронной или управляемой событиями связи (прерываний) могут использоваться дополнительные дейтаграммы:
Дейтаграмма Ethernet
┌────────────────────────────────────────────┴─────────────────────────────────────────────┐
| |
| |
╔═════════════════════╗╔════════════════════╗╔═════════╗╔═════════╗╔═════════╗╔════════════╗
║ Заголовок Ethernet ║║ Заголовок EtherCAT ║║ Пакет 1 ║║ Пакет 2 ║║ Пакет 3 ║║ Ethernet ║
╚═════════════════════╝╚════════════════════╝╚═════════╝╚═════════╝╚═════════╝╚════════════╝
│ │ │
│ └───────────────┬───────────────┘
│ │
│ Данные чтения/записи │
│ │
└───────────────────────────┬─────────────────────────┘
Кадр EtherCAT
В зависимости от алгоритма и текущей оценки ситуации ведущее устройство определяет, в каком режиме следует обращаться к ведомым устройствам. Например, для оперативного обновления текущих данных необходимо использовать короткое время цикла, а для обработки процедур, не требующих быстрой реакции — более длительное время цикла. Это оптимизирует работу ведущего устройства по сравнению с обычными системами полевой шины, где в процессе обмена данными их в любом случае необходимо сортировать посредством процессора, копировать в память и уже потом обрабатывать[2].
Уровни протокола в сетевой модели OSI
Физический уровень и уровень данных
| Уровни OSI/ISO | EtherCAT | ||
|---|---|---|---|
| 2 | Data link | Mailbox/Buffer Handling Process Data Mapping Extreme Fast Auto-Forwarder Ethernet MAC | |
| 1 | Physical | Fast Ethernet 100BASE-TX 100BASE-FX |
Уровни TCP (UDP) и IP (используются при необходимости циклического обмена данными)
| Уровни OSI/ISO | EtherCAT (HTTP, FTP) | ||
|---|---|---|---|
| 7 | Application | Cyclic Data Exchange Mailbox Acyclic Data Access | |
| 6 | Presentation | — | |
| 5 | Session | — | |
| 4 | Transport | TCP (UDP) | |
| 3 | Network | IP |
Ethernet через EtherCAT (EoE — Ethernet over EtherCAT)
Сеть EtherCAT полностью прозрачна для устройств Ethernet. В этом случае кадры Ethernet туннелируются (метод построения сетей, при котором один сетевой протокол инкапсулируется в другой) через протокол EtherCAT и работа протокола в реальном времени не используется. Логически EoE работает как виртуальный коммутатор Ethernet. Кадры Ethernet в протоколе EtherCAT передаются посредством ациклической связи с почтовыми ящиками[6].
Топология
Внутренняя топология EtherCAT является кольцевой за счёт использования полнодуплексного (лат. duplex— двухсторонний) Ethernet в качестве нижнего уровня — каждая посланная дейтаграмма будет проходить через все подключённые устройства в определённом порядке. На уровне кабельной разводки за счёт ответвлений EtherCAT обеспечивает другие топологии, такие как древовидную, кольцевую, линейную, звезду и их комбинации. Порты, необходимые для создания ветвей, встроены в ведомые устройства, которые могут транслировать многоадресную рассылку.
Кроме того, устройства EtherCAT содержат функции «горячей» замены отдельных сегментов сети или отдельных узлов. Если какая-либо станция удаляется, система это обнаруживает и обслуживающий её порт автоматически переключается на «шунтирование» потока и передачу данных дальше в сеть. Таким образом, остальная часть сети может продолжать работать[7].
Производительность
Благодаря аппаратному доступу к ведомому устройству и технологии прямого доступа к памяти (DMA) ведущего устройства без обращения к центральному процессору (ЦП), обработка данных не зависит от времени выполнения стека протоколов и ограничена производительностью ЦП.
Ниже приведена таблица усреднённого времени обработки данных в зависимости от конфигурации сети.
| Конфигурация сети | Время обновления данных | |
|---|---|---|
| 1 | 256 распределенных цифровых входов/выходов | 10 мкс |
| 2 | 1000 распределенных цифровых входов/выходов | 30 мкс |
| 3 | 200 аналоговых входов/выходов | 50 мкс при 20 кГц |
| 4 | 100 сервоосей, по 8 байт входных и выходных данных | каждые 100 мкс |
| 5 | 1 главный шлюз полевой шины (1486 байт входных и 1480 байт выходных данных) | 150 мкс |
Применяя технологию Fast Ethernet с использованием двух пар проводников кабеля 5-й категории или экранированной витой пары, можно достичь эффективной скорости передачи данных порядка 100 Мбит/с (более 90 % полезной скорости передачи данных 2×100 Мбит/с)[8].
Применение
Существуют отрасли в промышленности, в которых критически важно обеспечить время цикла менее 1 мс. Например, в электроэнергетике — контроль и регулирование электрических величин: тока, напряжения, мощности, частоты и фазы. Также важно обеспечить скорость регистрации аварийных ситуаций и технологические защиты на генерирующих станциях или высоковольтных инверторных установках. Кроме этого контроль и управление быстрыми процессами реализуются в управлении многоосевым перемещением в системах ЧПУ, при высокой скорости перемещения режущего инструмента и высоких требованиях к точности позиционирования и синхронизации. Ниже представлен примерный перечень областей применения технологии EtherCAT:
- робототехника, обработка металлов или литье металлов под давлением, станкостроение, приборостроение;
- контроль физических процессов, а также их регулирование с обеспечением высокой безопасности данных;
- организация работы измерительных систем, где требуется высокая точность, синхронность и использование нескольких каналов передачи и обработки данных[9].
Примечания
- ↑ IEC 61158-4-3(2007). Российский институт стандартизации. Дата обращения: 28 января 2024.
- ↑ 2,0 2,1 EtherCAT — полевая шина Ethernet (англ.). EtherCAT Technology Group. Дата обращения: 28 января 2024.
- ↑ Технология EtherCAT как инструмент реализации передовой архитектуры управления // ИСУП : журнал / Перевод с англ. под редакцией А. Д. Маштакова. — 2010. — № 5(29).
- ↑ Технология EtherCAT в системах автоматизации Advantech. Современная электроника и технологии автоматизации. Дата обращения: 29 января 2024.
- ↑ Краткий обзор EtherCAT. EtherCAT – The Ethernet Fieldbus. EtherCAT Technology Group. Дата обращения: 1 февраля 2024.
- ↑ EoE Support (англ.). Beckhoff Information System. Дата обращения: 1 февраля 2024.
- ↑ Принцип Работы EtherCAT. ООО ЭКОН Технология (15 мая 2008). Дата обращения: 31 января 2024.
- ↑ Fast Ethernet. ООО «Мальтима Телеком». Дата обращения: 31 января 2024.
- ↑ EtherCAT в промышленности. Визутех Систем. Дата обращения: 1 февраля 2024.
Ссылки
- EtherCAT Technology Group (англ.)
- EtherCAT by OMRON (англ.)
- Beckhoff EtherCAT (англ.)
- 10 лет EtherCAT: Has EtherCAT changed the world?
- Что такое модель OSI (ЭМВОС)
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!