EtherCAT 작동 원리
1. 작동 원리 :
실시간 기능을 제공하는 데 사용할 수있는 여러 이더넷 솔루션이 있습니다. 예를 들어 CSMA / CD 액세스 프로세스는 상위 프로토콜 계층을 통해 비활성화되고 시간 조각 또는 폴링 프로세스로 대체됩니다. 다른 솔루션은 전용 스위치를 사용하고 정확한 시간 제어를 사용하여 이더넷 패킷을 분배합니다. 이러한 솔루션은 연결된 이더넷 노드에 패킷을 더 빠르고 정확하게 전달할 수 있지만, 특히 작은 데이터 볼륨의 경우에도 완벽한 이더넷 프레임을 전송해야하기 때문에 일반적인 자동화 장비의 경우 대역폭 사용률이 매우 낮습니다. 또한 출력 또는 드라이브 컨트롤러로 리디렉션하고 입력 데이터를 읽는 데 필요한 시간은 주로 실행 모드에 따라 다릅니다. 일반적으로 또한 모듈 형 입출력 시스템, 특히 이러한 시스템과 BeckhoFF K- 버스에서 서브 - 버스를 사용하여 동기식 서브 - 버스 시스템을 통해 전송 속도를 높이는 것이 필요하지만 그러한 동기화는 피할 수 없을 것입니다 지연은 통신 버스 전송으로 인해 발생합니다.
BeckhoFF는 EtherCAT 기술을 사용하여 이전과 같이 각 연결 지점에서 이더넷 패킷을 수신하고 프로세스 데이터로 디코딩하고 복사하는 대신 다른 이더넷 솔루션의 시스템 제한 사항을 깨고 말았습니다. 프레임이 각 장치 (기본 터미널 장치 포함)를 통과하면 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러는 장치에 중요한 데이터를 읽습니다. 마찬가지로 메시지가 전달 될 때 입력 데이터를 메시지에 삽입 할 수 있습니다. 프레임이 통과되면 (단지 몇 비트가 지연됨), 슬레이브는 관련 명령을 인식하고 처리합니다. 이 프로세스는 슬레이브 컨트롤러의 하드웨어에서 구현되므로 프로토콜 스택 소프트웨어의 실시간 운영 체제 또는 프로세서 성능과는 독립적입니다. 세그먼트의 마지막 EtherCAT 슬레이브는 메시지가 첫 번째 슬레이브에서 마스터로 응답으로 반환되도록 완전히 처리 된 메시지를 반환합니다.
이더넷 관점에서 EtherCAT 버스 세그먼트는 이더넷 프레임을 송수신 할 수있는 대규모 이더넷 장치 일뿐입니다. 그러나 "장치"에는 다운 스트림 마이크로 프로세서가있는 단일 이더넷 컨트롤러는 포함되지 않지만 다수의 EtherCAT 슬레이브 만 포함됩니다. 다른 이더넷과 마찬가지로 EtherCAT은 스위치가 필요없는 통신을 구축 할 수 있으므로 순수한 EtherCAT 시스템을 구축 할 수 있습니다.
2. 이더넷을 구현하는 터미널 :
시스템의 각 장치는 서브 버스를 사용하지 않고 각 I / O 터미널에 대해서도 완벽한 이더넷 프로토콜의 사용을 보장합니다. 커플러의 전송 매체를 트위스트 페어 (100baseTX)에서 E 버스로 변환하여 전자 터미널 블록의 요구 사항을 충족하십시오. 터미널 블록의 E 버스 신호 유형 (LVDS)은 전용이 아니며 10 기가비트 이더넷에도 사용할 수 있습니다. 터미널 블록의 끝에서 물리적 버스 특성이 다시 100baseTX 표준으로 변환됩니다.
표준 이더넷 MAC 또는 저렴한 표준 네트워크 카드 (NIC)는 컨트롤러의 하드웨어로 사용하기에 충분합니다. DMA (Direct Memory Access)는 데이터를 PC로 전송하는 데 사용됩니다. 즉, 네트워크 액세스가 CPU 성능에 영향을 미치지 않습니다. 하나의 PCI 슬롯에 최대 4 개의 이더넷 채널을 번들로 제공하는 BeckhoFF 멀티 포트 카드에서도 동일한 원리가 사용됩니다.
3. 프로토콜 처리는 하드웨어에서 완전히 수행됩니다.
3.1 프로토콜 :
EtherCAT 프로토콜은 프로세스 데이터에 최적화되어 있으며 이더넷 프레임으로 직접 전송되거나 UDP / IP 데이터 그램으로 압축됩니다. UDP 프로토콜은 다른 서브넷의 EtherCAT 세그먼트가 라우터에 의해 지정 될 때 사용됩니다. 이더넷 프레임은 여러 개의 EtherCAT 메시지를 포함 할 수 있으며 각 메시지는 최대 4GB 크기의 논리적 프로세스 이미지를 프로그래밍하는 데 사용할 수있는 특정 메모리 영역 전용입니다. 데이터 체인은 EtherCAT 터미널의 물리적 시퀀스와 독립적이므로 EtherCAT 터미널은 자유롭게 주소 지정할 수 있습니다. 슬레이브 스테이션은 브로드 캐스트, 멀티 캐스트 및 통신 할 수 있습니다.
프로토콜은 또한 비 주기적 매개 변수 통신을 정상적으로 처리 할 수 있습니다. 매개 변수의 구조와 의미는 CANOPEN 장치 프로파일에 의해 설정되며 이러한 장치 프로파일은 다양한 장치 클래스 및 응용 프로그램에 사용됩니다. 또한 EtherCAT은 IEC 61491 표준을 준수하는 종속 규칙을 지원합니다. 이 프로파일은 SERCOSTM의 이름을 따서 명명되었으며 모션 제어 어플리케이션 분야에서 보편적으로 인정 받고 있습니다.
EtherCAT은 마스터 / 슬레이브 원칙에 따른 데이터 교환 외에도 컨트롤러 (마스터 / 마스터) 간의 통신에도 매우 적합합니다. 다양한 매개 변수화, 진단, 프로그래밍 및 원격 제어 서비스뿐만 아니라 자유롭게 주소 지정이 가능한 프로세스 데이터 네트워크 변수는 다양한 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다. 마스터 / 마스터와의 마스터 / 슬레이브 통신을위한 데이터 인터페이스는 동일합니다.
FMMU : 메시지 처리가 하드웨어에서 완전히 수행됩니다.
3.2 성과 :
EtherCAT은 네트워크 성능면에서 새로운 장을 열었습니다. 1000 개의 분산 I / O 데이터의 리프레시주기는 터미널 사이클 시간을 포함하여 단지 30μs입니다. 이더넷 프레임을 사용하면 최대 1486 바이트의 프로세스 데이터를 교환 할 수 있으며, 이는 거의 12,000 개의 디지털 I / O에 해당합니다. 이 데이터 볼륨의 전송은 300μs에 불과합니다.
100 서보 축과의 통신은 100μs에 불과합니다. 이 시간 동안 설정 값과 제어 데이터를 모든 축에 제공 할 수 있으며 실제 위치와 상태를보고 할 수 있습니다. 분산 클럭 기술은 이러한 축간 동기화 시간이 1 마이크로 초 미만으로 벗어나는 것을 보장합니다.
EtherCAT 기술의 탁월한 성능을 활용하여 기존 필드 버스 시스템으로는 구현할 수없는 제어 방법을 구현할 수 있습니다. 이러한 방식으로, 버스를 통해 초고속 제어 루프가 형성 될 수도 있습니다. 이전에 로컬 전용 하드웨어 지원이 필요했던 기능을 이제 소프트웨어에 매핑 할 수 있습니다. 거대한 대역폭 리소스를 사용하면 상태 데이터를 모든 데이터와 병렬로 전송할 수 있습니다. EtherCAT 기술은 통신 기술을 현대적인 고성능 산업용 PC와 조화시켜줍니다. 버스 시스템은 더 이상 제어 개념의 병목 현상이 아닙니다. 분산 I / O 데이터 전송은 로컬 I / O 인터페이스에서만 수행 할 수있는 성능을 초과합니다.
이 네트워크 성능 이점은 상대적으로 적당한 컴퓨팅 성능을 갖춘 소형 컨트롤러에서 분명합니다. EtherCAT의 고속 루프는 두 제어주기 사이에 완료 될 수 있습니다. 따라서 컨트롤러는 항상 최신 입력 데이터를 사용할 수 있으며 출력 주소 지정의 지연은 최소화됩니다. 컨트롤러의 응답 동작은 자체 컴퓨팅 성능을 향상시킬 필요없이 크게 향상됩니다.
EtherCAT 기술의 원리는 100M 대역폭에 국한되지 않고 확장이 가능합니다. 이더넷을 기가비트까지 확장 할 수도 있습니다.
3.3 EtherCAT은 PCI를 대체합니다 :
PC 부품의 소형화가 가속화됨에 따라 산업용 PC의 크기는 주로 필요한 슬롯 수에 달려 있습니다.
고속 이더넷 대역폭과 EtherCAT 통신 하드웨어 (EtherCAT 슬레이브 컨트롤러)의 데이터 대역폭을 사용하면 응용 프로그램의 새로운 가능성이 생깁니다. 일반적으로 IPC에있는 인터페이스는 EtherCAT 시스템의 지능형 인터페이스 터미널로 전송됩니다. 분산 I / O, 축 및 컨트롤 유닛 외에도 필드 버스 마스터, 고속 직렬 인터페이스, 게이트웨이 및 기타 통신 인터페이스와 같은 복잡한 시스템은 PC의 이더넷 포트를 통해 처리 할 수 있습니다. 프로토콜 변형에 국한되지 않는 다른 이더넷 장치조차도 분산 스위치 터미널을 통해 연결할 수 있습니다. 산업용 PC 호스트의 크기가 점점 작아지고 비용은 점점 낮아지고 있습니다. 모든 통신 작업에는 이더넷 인터페이스로 충분합니다.
분산 형 필드 버스 마스터 터미널을 통해 통합하기 위해 PCI 필드 버스 장치 (Profibus, CANOPEN, DeviceNet, AS-i 등) 대신 이더넷이 사용됩니다. 필드 버스 마스터를 사용하지 않으면 PC에 PCI 슬롯이 저장됩니다.
3.4 토폴로지 :
버스, 트리 또는 스타 : EtherCAT은 거의 모든 토폴로지를 지원합니다. 따라서 필드 버스에서 파생 된 버스 구조는 이더넷에도 사용할 수 있습니다. 버스와 브랜칭 구조를 결합하는 것이 시스템 케이블 링에 특히 유용합니다. 모든 인터페이스는 커플러에 있으며 추가 스위치는 필요하지 않습니다. 물론 전통적인 스위치 기반 스타 이더넷 토폴로지를 사용할 수도 있습니다.
다른 전송 케이블을 사용하면 케이블 링의 유연성을 극대화 할 수 있습니다. 유연하고 저렴한 표준 이더넷 패치 케이블은 이더넷 모드 (100baseTX) 또는 E 버스를 통해 신호를 전송할 수 있습니다. 광섬유 (PFO)는 특수 용도로 사용될 수 있습니다. 이더넷 대역폭 (예 : 다른 광섬유 케이블 및 구리 케이블)은 스위치 또는 미디어 컨버터와 함께 사용할 수 있습니다. 패스트 이더넷의 물리적 특성은 장치 간 거리를 100m까지 늘릴 수있는 반면 E- 버스는 10m 거리 만 보장 할 수 있습니다. 거리 요구 사항에 따라 패스트 이더넷 또는 E- 버스를 선택할 수 있습니다. EtherCAT 시스템은 최대 65,535 개의 장치를 수용 할 수 있으므로 전체 네트워크는 거의 무제한입니다.
4. 자유로운 토폴로지 선택
케이블 링에는 스위치 사용 여부, 버스 토폴로지 사용 여부, 트리 토폴로지 등의 유연성이 있습니다. 자동 주소 할당; IP 주소를 설정할 필요가 없습니다.
4.1 분산 클럭 :
정확한 동기화는 여러 서보 축이 동시에 연결 작업을 수행하는 경우와 같이 광범위한 동시 작업이 필요한 배포 프로세스에서 특히 중요합니다.
분산 클럭의 정확한 교정은 동기화를위한 가장 효과적인 솔루션입니다. 반대로 전체 동기화를 사용하면 통신 오류가 발생할 때 동기화 데이터의 품질이 크게 영향을받습니다. 통신 시스템에서 단계별 교정 클록은 어느 정도 오류 지연에 대해 허용됩니다. EtherCAT에서 데이터 교환은 순수한 하드웨어 장치를 기반으로합니다. 통신은 논리 링 네트워크 구조, 전이중 패스트 이더넷 및 실제 링 네트워크 구조를 사용하기 때문에 "마스터 클럭"은 각 "슬레이브 클록"에 대한 작동 보상을 간단하고 정확하게 결정할 수 있으며 반대의 경우도 마찬가지입니다. 분산 클록은이 값에 따라 조정되므로 네트워크에서 1 마이크로 초 미만의 지터로 매우 정확한 클럭베이스를 제공 할 수 있습니다.
그러나 고성능 분산 클럭은 동기화에 사용되는 것은 아니며 데이터 수집 중에 현지 시간에 대한 정확한 정보를 제공합니다. 새로운 확장 데이터 유형의 도입으로 측정 된 값을 매우 정확한 타임 스탬프로 할당 할 수 있습니다.
4.2 핫 연결 :
많은 응용 프로그램은 작동 중에 I / O 구성을 변경해야합니다. 예를 들어 특성이 변화하는 가공 센터, 센서가 장착 된 공구 시스템, 지능형 전송 장치, 유연한 공작물 액추에이터 및 인쇄 장치를 독립적으로 닫을 수있는 프린터가 있습니다. EtherCAT 시스템은 다음과 같은 요구 사항을 고려합니다. "핫 커넥션"기능은 네트워크의 여러 부분을 연결 또는 연결 해제하거나 변경 구성에 유연한 응답을 제공하기 위해 "동적으로"재구성 할 수 있습니다.
4.3 고 가용성 :
선택 품목 인 케이블 이중화는 증가하는 시스템 가용성에 대한 요구를 충족시켜 네트워크를 중단하지 않고 장비를 교체 할 수 있도록합니다.
또한 EtherCAT은 핫 스탠바이 기능을 갖춘 중복 마스터 스테이션을 지원합니다. 인터럽트가 발생하면 EtherCAT 슬레이브 컨트롤러가 프레임을 자동으로 반환하므로 장치가 고장 나도 전체 네트워크가 종료되지 않습니다. 예를 들어, 케이블 보호 체인은 파손을 방지하기 위해 짧은 막대 형태로 특별히 구성 할 수 있습니다.
4.4 안전 :
보안 기능은 일반적으로 하드웨어를 통하거나 전용 보안 버스 시스템을 사용하여 자동화 네트워크와 별도로 구현됩니다. TwinSAFE (BeckhoFF의 보안 기술) 덕분에 보안 관련 통신 및 동일한 네트워크에서의 제어 통신에 EtherCAT 보안 프로토콜을 사용할 수 있습니다.
보안 프로토콜은 EtherCAT의 응용 프로그램 계층을 기반으로하며 하위 계층에는 영향을 미치지 않습니다. 이 안전 프로토콜은 IEC 61508에 따라 안전 통합 수준 (SIL) 3을 달성하도록 인증되었으며 관련 조치를 취한 후에도 SIL4에 도달 할 수 있습니다. 데이터의 길이는 프로토콜이 안전 I / O 데이터 및 안전 드라이브 기술에도 동일하게 적용될 수 있도록 다를 수 있습니다. 다른 EtherCAT 데이터와 마찬가지로 보안 라우터 또는 게이트웨이를 사용하지 않고도 보안 데이터를 라우팅 할 수 있습니다.
4.5 진단 :
네트워크의 진단 기능은 네트워크 가용성을 높이고 커미셔닝 시간을 줄여 전체 비용을 절감하는 데 매우 중요합니다. 오류가 신속하고 정확하게 탐지되고 명확하게 식별되는 경우에만 오류를 신속하게 제거 할 수 있습니다. 따라서 EtherCAT 개발 과정에서 일반적인 진단 기능에 특별한주의를 기울였습니다.
테스트 작동 중 I / O 터미널의 실제 구성은 지정된 구성을 사용하여 연속성을 검사합니다. 또한 토폴로지는 구성과 일치해야합니다. 기본 제공 토폴로지 식별로 인해 시스템을 시작할 때 또는 자동으로 설치 될 때 I / O를 확인할 수 있습니다.
유효한 32 비트 CRC로 데이터 전송 중 비트 오류를 감지 할 수 있습니다. 중단 점 탐지 및 위치 외에도 EtherCAT 시스템 프로토콜을 통한 물리 계층 및 토폴로지의 전송은 각 개별 전송 세그먼트의 고품질 모니터링을 현실로 만듭니다. 관련 오류 카운터를 자동으로 분석하여 중요한 네트워크 부분을 정확하게 배치 할 수 있습니다. 네트워크의 치료 능력에 과도한 영향을주지 않았더라도 EMC 간섭, 결함있는 커넥터 또는 케이블 손상과 같은 지속적인 오류의 원인을 찾아서 찾을 수 있습니다.
4.6 개방성 :
EtherCAT 기술은 이더넷과 완벽하게 호환 될뿐만 아니라 특별한 디자인 개방성을 갖추고 있습니다 :이 프로토콜은 다양한 서비스 를 제공하는 다른 이더넷 프로토콜과 공존 할 수 있으며 모든 프로토콜은 동일한 물리적 인 매체에 공존합니다 - 일반적으로 전체 네트워크 성능은 작은 영향도. 표준 이더넷 장치는 사이클 시간에 영향을 미치지 않는 스위치 터미널을 통해 EtherCAT 시스템에 연결할 수 있습니다. 전통적인 필드 버스 인터페이스가있는 장치는 EtherCAT 필드 버스 마스터 터미널의 연결을 통해 네트워크에 통합 될 수 있습니다. UDP 프로토콜을 사용하면 장치를 모든 슬롯 인터페이스에 통합 할 수 있습니다. EtherCAT은 공식 IEC 사양 (IEC / PAS62407)으로 확인 된 완전 개방형 프로토콜입니다.