EtherCAT - это промышленная шина, основанная на сети Ethernet

EtherCAT — технология будущего

EtherCAT — это промышленная шина, основанная на сети Ethernet. EtherCAT отличается от других промышленных шин, в том числе базирующихся на Ethernet, в первую очередь своей беспрецедентной производительностью. Благодаря гибкой топологии и простой конфигурации и минимальной стоимости аппаратных средств шина EtherCAT может быть реализована с очень высокой экономической эффективностью, она позволяет использовать промышленные шины в тех областях, где ранее возможность их применения даже не рассматривалась.

Что касается других решений, то имеется несколько вариантов обеспечения работы в реальном времени через Ethernet, когда, например, процедура доступа к среде передачи данных CSMA/CD запрещается через более высокие уровни протокола и заменяется процедурой выделения квантованных отрезков времени или последовательного опроса (полинга). В других реализациях используются специальные аппаратные коммутаторы, которые распределяют Ethernet-пакеты в строго определенной временной последовательности. Несмотря на то, что такие решения способны обеспечить более или менее быструю и точную транспортировку пакетов данных к входящим в сеть Ethernet-узлам, время, необходимое на переадресацию к выходам или контроллерам приводов, а также на чтение входных данных, сильно зависит от конкретной практической реализации.

Если для каждого устройства используются отдельные Ethernet-кадры, то скорость потока данных очень низка в принципе. Доля «полезных» данных в 100 Мбит/с трафике составляет, как правило, не более 4%. Эти ограничения характерны для всех реализаций Ethernet реального времени, при которых отдельные Ethernet-кадры посылаются каждому устройству (или ожидаются от каждого устройства), вне зависимости от протоколов, использованных внутри Ethernet-кадра.

EtherCAT — открытая технология, стандартизированная Международной электротехнической комиссией. Поддержку данной технологии обеспечивает технологическая группа EtherCAT — международная ассоциация пользователей и производителей (ETG), насчитывающая более 270 компаний — производителей оборудования.

Напомним те основные идеи, заложенные в шине EtherCAT, которые позволяют достичь небывалых параметров по быстродействию:

  • Протокол EtherCAT реализован на самом нижнем логическом уровне стека протоколов Ethernet. Структура телеграмм Ehternet и физический уровень интерфейса сохранены, что обеспечивает совместимость со стандартным сетевым оборудованием: коммутаторы, преобразователи медь/оптоволокно и т.п.
  • Из всех устройств, подключенных к шине EhterCAT, настоящим участником Ethernet со своим MAC-ад-ресом является только одно устройство — это мастер шины EtherCAT. Только мастер может быть инициатором телеграмм. Все остальные устройства «на лету» модифицируют проходящую через них телеграмму, читая и записывая в нее данные технологического процесса. Аппаратная задержка на прохождение телеграммы через одно slave-устройство составляет всего несколько наносекунд.
  • Таким образом, всего одна единственная большая широковещательная телеграмма Ethernet, посланная мастером в сеть, возвращается мастеру модифицированной. И она уже несет в себе всю информацию о технологическом процессе. Это позволяет максимально эффективно (на 80-97%) использовать физический трафик среды передачи 100 Мбит/с. Данное обстоятельство коренным образом отличает EtherCAT от прочих решений для промышленной шины реального времени на основе Ethernet.
  • Каждый отдельный модуль ввода/вывода, а не контроллер, является самостоятельным slave-устройством. В головном блоке контроллера происходит лишь преобразование физического уровня сигнала.
  • Структура данных в телеграмме EtherCAT соответствует не топологии подключения slave-устройств к шине, а структуре прикладной управляющей программы, каждый модуль ввода/вывода «знает» в какое место телеграммы EtherCAT он должен вставить свои данные. В сочетании с использованием DMA (Direct Memory Access) контролера, интегрированного в адаптер Ethernet, функция адресации данных (mapping) перекладывается с центрального процессора мастера на slave-устройства. Их коллективные действия обеспечивают этот самый «mapping» на уровне модулей ввода/вывода.

Таким образом, аппаратная реализация мастера шины EtherCAT (контролер DMA), плюс аппаратная реализация Slave-распределенных устройств ввода/вывода в сочетании с опросом одновременно всех периферийных устройств в рамках всего одной телеграммы Ethernet приводит к рекордному, не имеющему аналогов среди других промышленных шин быстродействию шины EtherCAT:

Данные процесса Время обновления
256 распределенных дискретных входов/ выходов 11 мкс = 0,01 мс
1000 распределенных дискретных входов/ выходов 30 мкс
200 аналоговых входов/выходов (16 бит) 50 мкс или 20 кГц
100 сервоприводов, входные и выходные данные которых имеют разрядность 8 байт 100 мкс
1 главный шлюз промышленной шины (1486 байт входных и выходных данных) 150 мкс

В дополнение, хитом Ганноверской выставки 24-28 апреля 2007 года стала демонстрация новой возможности EtherCAT — резервирования линии связи. Остановимся на этом подробнее.

Топология шины EtherCAT может быть любой: «Линия», «дерево», «звезда», или комбинированной. Несмотря на это, за счет использования полнодуплексного Ethernet логическая структура шины — всегда кольцо. При использования всего лишь 2-портовой Ethernet карты и небольшой доработки драйвера EtherCAT со стороны мастера Beckhoff реализовал настоящее (топологическое) кольцо.

При этом мастер посылает одновременно две телеграммы EtherCAT от двух Ethernet адаптеров, телеграммы проходят навстречу друг другу по разным витым парам в полнодуплексном режиме.

При разрыве связи в одном месте вся сеть EtherCAT остается полностью работоспособной.

EtherCAT - это промышленная шина, основанная на сети Ethernet

В заключении хочется отметить, что физическая скорость Ethernet 100BASE-TX — 100 Мбит/с не фиксирована в спецификации EtherCAT. Определен лишь логический протокол передачи данных, это означает, что нет никаких принципиальных ограничений в реализации EtherCAT на базе физической среды передачи 1 Гбит/с .

Шина EtherCAT делает технологию Ethernet технически осуществимой и экономически обоснованной вплоть до уровня устройств ввода-вывода. Полная совместимость с Ethernet, наличие интернет-технологий даже в самых простых устройствах, максимальное использование высокой пропускной способности канала Ethernet, выдающиеся параметры реального времени при небольшой стоимости — вот основные преимущества этой сети. Ожидается, что EtherCAT получит широкое распространение во множестве областей применения в качестве высокоскоростной шины для приводов и распределенных устройств ввода/вывода.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.