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EtherCAT
De oplossing voor realtime ethernet
ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation
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française
Met EtherCAT brengt Beckhoff een realtime ethernetoplossing die werkt als
volwaardige veldbus en naast de nodige realtime-modules gelijktijdig het
gebruik van standaardcomponenten “over dezelfde draad” toelaat. Een
toelichting.
Het ethernetproductgamma van Beckhoff kent reeds geruime tijd een
positieve groei. De voordelen van de communicatiestandaard uit de
bureauwereld ook in een industriële omgeving te benutten ligt voor de
hand:
§ Gebruik van standaard hardwarecomponenten
§ Gebruik van standaard protocollen
§ Hoge data-overdrachtsnelheden
§ Eenvoudige vernettingsmogelijkheid tot en met het wereldwijde internet
§ Afstandsbewaking en -diagnose
Ondertussen is de ethernetcommunicatie ook geaccepteerd in de industriële
automatiseringswereld. Toch wordt het ontbrekende determinisme als een
probleem aanzien voor bepaalde toepassingen, waardoor ethernet tot op
heden maar weinig de klassieke veldbus heeft kunnen verdringen. Enige
aanloop werd genomen door propriétaire systemen die een zekere graad van
realtime garandeerden, maar die het niet mogelijk maakten gelijktijdig
standaardcomponenten en –protocollen in te zetten.
Determinisme is een rekbaar begrip en hangt sterk af van de vereisten van
de toepassing en de regelkringen van de gebruikte
automatiseringscomponenten. Uit het perspectief van de
automatiseringstechniek en met de ervaringsachtergrond van de veldbusfirma
Beckhoff kan men zich toch tot een grove indeling wagen:
§ De vereisten liggen bij cyclustijden rond de 50µs met een maximum
afwijking van 10µs
§ Typische cyclustijden bij gebruik van positiegeregelde aandrijfsystemen
liggen binnen een bereik van milliseconden (1 tot 4ms) met een maximale
afwijking van minder dan 20µs.
§ Zuivere PLC-toepassingen daarentegen draaien rond de 10ms per cyclus met
afwijkingen in de grote orde van milliseconden.
§ Gegevensuitwisseling tussen sturing en regelaar komen in de regel met
cyclustijden binnen secondebereik, met uitzondering van sommige speciale
toepassingen.
§ Ook de afstandscontrole en bediening, evenals visualiseringen etc zitten
met relatief lange cyclustijden.
Met de nieuwe real-time ethernet toepassing in de automatiseringssoftware
TwinCAT worden nu ook de snelste cyclustijden met ethernet realiseerbaar,
waarbij dan nog alle andere niet kritische toepassingen over hetzelfde
systeem gaan met dezelfde protocollen.
EtherCat
EtherCat heeft vele verschillende toepassingsmogelijkheden waarmee
ethernet deterministisch kan gemaakt worden.
Zo wordt bijvoorbeeld de toegangsversperring CSMA/CD (Carrier Sense
Multiple Access (CSMA) with Collision Detection (CD)) door bovenliggende
protocollagen buiten spel gezet en door vaste tijdframes of polling
vervangen.
Andere oplossingen voorzien speciale switches die ethernetpakketten
precies gecontroleerd verdelen. Deze oplossingen kunnen gegevenspakketten
snel en exact naar de aangesloten ethernetknopen transporteren. De tijden
voor het doorsturen van gegevens naar de uitgangen en regelaars die nodig
zijn, zijn sterk toepassingsafhankelijk. Speciaal bij modulaire I/O-systemen
komt hier in de regel een Sub-bus op de proppen, die weliswaar ook
synchroniseert en snel kan zijn, maar die toch een vertraging voor de
communicatie met zich meebrengt.
EtherCat functioneert volledig anders zoals de hiervoor voorgestelde
oplossingen: het ethernetpakket wordt niet meer in elke inschakeling
allereerst ontvangen, geïnterpreteerd en de procesgegevens verder
gekopieerd. De nieuw ontwikkelde Fieldbus Memory Management Unit (FMMU) in
elke I/O-klem ontneemt de voor hem bestemde gegevens, terwijl het telegram
de module doorloopt. Ingangsgegevens worden in doorloop in het telegram
ingevoerd. De telegrammen worden daarbij maar enkele nanoseconden
vertraagd.
In een ethernetframe kunnen met deze systemen tot 1486 bytes
procesgegevens uitgewisseld worden, hetgeen neerkomt op 12000 digitale in-
en uitgangen.
Protocollen
Het voor procesgegevens geoptimaliseerde EtherCAT wordt direct in een
ethernetframe getransporteerd. Het kan uit meerdere subtelegrammen
bestaan, die telkens een geheugenbereik van tot vier gigabytes grote
logische procesbeelden bedienen. De gegevenstechnische volgorde is daarbij
onafhankelijk van de fysische volgorde van de ethernetklemmen in het
netwerk en kan vrij geadresseerd worden.
Broadcast, multicast en kruiscommunicatie tussen slaves is mogelijk. De
overdracht direct in het ethernetframe wordt steeds dan ingezet wanneer
EtherCat-componenten met TwinCat binnen het gelijke subnet zoals de
sturings-PLC bedreven worden. Het toepassingsgebied van EtherCat is echter
niet tot TwinCat als sturingssysteem beperkt: EtherCat UDP verpakt het
EtherCat-protocol in UDP/IP-datagrammen, hiermee kan elke sturing met
ethernetprotocolstack EtherCat-systemen aanspreken. Zelfs de communicatie
over router in andere subnetten is mogelijk. De capaciteit van het systeem
in deze variant hangt af van de real-time-eigenschappen van de sturing af.
De antwoordtijden van het EtherCat-netwerk op zich worden echter
onbeduidend beperkt: slechts in het eerste station moet de UDP-datagram
uitgepakt worden.
Performantie
EtherCat is zeer snel. Door FMMU in de klemmen en DMA (Direct Memory
Acces) op de netwerkkaarten in de master gebeurt de totale
protocolverwerking in de hardware en is daarmee onafhankelijk van de
looptijd van de protocollstacks, de CPU-performantie of
software-implementatie.
De refreshtijd voor 1000 I/O’s bedraagt 30µs inclusief de
klemmendoorlooptijd.
Voor de communicatie met 100 servo-assen haalt Beckhoff nog cyclustijden
van 100µs. In deze tijd worden alle assen met streefwaarden en stuurdata
voorzien en melden zij hun actuele positie en status. Door de distributed
clock kunnen de assen met een afwijking van minder dan een microseconde
gesynchroniseerd worden.
Diagnose
De uptimes en inbedrijfnametijden hangen sterk af van de
diagnosemogelijkheden van het systeem. Enkel een snelle en precieze
lokalisering van een storing kan hierop inspelen. Daarom werd bij de
ontwikkeling van het EtherCat-systeem bijzondere aandacht aan de
diagnosemogelijkheden besteed. Tijdens de inbedrijfname moet men op een
eenvoudige manier controleren of de actuele configuratie van de I/O-klemmen
overeenstemt met de streefconfiguratie. Door de ingebouwde
topologie-erkenning tot op klemmenniveau kan niet alleen deze modules
getest worden bij opstart, maar eveneens automatisch inlezen van het
netwerk is mogelijk.
Bitfouten in de gegevensoverdracht worden door de uitlezing van de
CRC-controlesom erkend.
Verder is de automatische uitlezing van fouten mogelijk, waardoor
netwerkonderbrekingen, slechte steekverbindingen en dergelijke erkent en
gelokaliseerd worden.
Busklemmen
Naast de nieuwe ethernetklemmen met E-bus-aansluiting laten
gelijktijdig componenten met K-bus-aansluiting zich in het netwerk
aansluiten doormiddel van desbetreffende koppelingen. Daarmee zijn
compatibiliteit en transparantie met bestaande systemen verzekerd en
worden extra kosten vermeden.
Openheid
De EtherCat-technologie is niet alleen volledig ethernetcompatibel,
maar ook door zijn design wordt het door openheid gekenmerkt. Het protocol
begeeft zich met de andere ethernet gebaseerde diensten en protocollen op
een gelijk fysiek net. Willekeurige ethernetmodules kunnen aangesloten
worden. Modules met veldbusinterface worden via EtherCat veldbus
masterklemmen geïntegreerd. De UDP-protocolvarianten laten zich op elke
socket-interface implementeren. <<
EtherCAT
La solution pour l’Ethernet temps réel
Ing. Xavier De Buysscher
Avec EtherCAT, Beckhoff apporte une solution Ethernet temps réel qui
fonctionne comme un véritable bus de terrain et permet simultanément, en
plus des modules temps réel nécessaires, l’utilisation de composants
standard ‘sur un même câble’. Explications.
La gamme de produits Ethernet de Beckhoff connaît depuis quelque temps une
croissance positive. Il semble évident d’exploiter les avantages du
standard de communication du monde de la bureautique dans un environnement
industriel:
§ utilisation de composants matériels standard
§ utilisation de protocoles standard
§ vitesses de transfert de données élevées
§ possibilité de mise en réseau simple jusqu’à l’Internet mondial
§ Surveillance et diagnostic à distance
Entre-temps, la communication Ethernet a également été acceptée par le
monde de l’automatisation industrielle. Pourtant, l’absence de
déterminisme est considérée comme un problème pour certaines applications,
de sorte qu’à ce jour, Ethernet n’a pas vraiment pu supplanter les bus de
terrain classiques. Les systèmes propriétaires ont pris de l’élan en
garantissant un certain degré de temps réel. Cependant, ils ne permettent
pas une mise en œuvre simultanée de composants et protocoles standard.
Le déterminisme est une notion élastique qui dépend fortement des
exigences de l’application et des boucles de régulation des composants d’automatisation
utilisés. Du point de vue de la technique d’automatisation et avec l’expérience
acquise par la société Beckhoff, on peut se risquer à opérer une
répartition grossière :
Les exigences en termes de temps de cycle se situent autour des 50 µs avec
un écart maximal de 10 µs
Les temps de cycle classiques lors de l’utilisation de systèmes d’entraînement
avec régulation de positionnement se situent dans la plage de la
milliseconde (1 à 4 ms) avec un écart maximal de moins de 20 µs
Les applications PLC pures tournent en revanche autour des 10 ms par cycle
avec des écarts de l’ordre de la milliseconde
L’échange de données entre la commande et le régulateur nécessite en règle
générale des temps de cycle de l’ordre de la seconde, à l’exception de
certaines applications spécifiques
Le contrôle et la commande à distance, de même que les visualisations, ont
des temps de cycle assez longs
La nouvelle application Ethernet temps réel dans le logiciel d’automatisation
TwinCAT permet désormais aussi de réaliser les temps de cycle les plus
rapides avec Ethernet tandis que toutes les autres applications non
critiques passent par le même système et utilisent les mêmes protocoles.
EtherCat
EtherCAT offre de nombreuses possibilités d’applications diverses
permettant un Ethernet déterministe.
Le blocage d’accès CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access (CSMA) with
Collision Detection (CD)) est ainsi mis hors jeu par les couches de
protocole supérieures et remplacé par des blocs de temps fixes ou une
invitation à émettre.
D’autres solutions prévoient des commutateurs spécifiques qui répartissent
les paquets Ethernet selon un contrôle précis. Ces solutions peuvent
transporter rapidement et exactement des paquets de données aux nœuds
Ethernet raccordés. Les temps nécessaires à l’envoi de données vers les
sorties et régulateurs, dépendent fortement de l’application. On voit
généralement apparaître un bus sous-jacent, spécifiquement dans le cas des
systèmes d’E/S modulaires. Ce bus synchronise naturellement aussi et il
est probablement très rapide mais il entraîne quand même un ralentissement
dans la communication. EtherCat fonctionne tout à fait différemment par
rapport aux solutions présentées ci-dessus : le paquet Ethernet n’est plus
réceptionné dans un premier temps lors de chaque activation, puis
interprété avant de copier les données de processus. La nouvelle Fieldbus
Memory Management Unit (FMMU) de chaque îlot d’E/S enlève les données qui
lui sont adressées tandis que le télégramme traverse le module. Les
données d’entrée sont continuellement introduites dans le télégramme. Les
télégrammes ne sont dès lors ralentis que de quelques nanosecondes. Dans
une trame Ethernet, ces systèmes permettent d’échanger jusqu’à 1486 bytes
de données de processus, ce qui revient à 12000 entrées et sorties
numériques.
Protocoles
L’EtherCAT optimisé pour les données de processus est directement
transporté dans une trame Ethernet. Il peut se composer de plusieurs
sous-télégrammes qui commandent à chaque fois une plage de mémoire
d’images de processus logiques dont la taille peut atteindre quatre
gigaoctets. La séquence d’adressage des données ne dépend pas de l’ordre
physique des îlots Ethernet présents sur le réseau, elle peut être
déterminée librement.
La diffusion générale, la multidiffusion et la communication croisée entre
esclaves sont possibles. Le transfert direct dans la trame Ethernet est
systématiquement utilisé lorsque les composants EtherCat fonctionnent avec
TwinCat dans le même sous-réseau que le PC de contrôle. Le domaine d’application
d’EtherCAT ne se limite toutefois pas à TwinCAT comme système de commande :
EtherCAT UDP emballe le protocole EtherCAT dans des paquets de données UDP/IP,
permettant ainsi à chaque commande dotée d’une pile de protocoles Ethernet
de s’adresser aux systèmes EtherCAT. Une communication par routeur avec d’autres
sous-réseaux est également possible. La capacité du système dans cette
variante dépend des caractéristiques temps réel de la commande. Les temps
de réponse du réseau EtherCAT en soi sont toutefois limités de façon
insignifiante : le paquet de données UDP ne doit être déballé que dans la
première station.
Performances
EtherCAT est très rapide. Grâce à la FMMU des îlots et la DMA (Direct
Memory Acces) des cartes réseaux du maître, le protocole est traité
globalement de manière matérielle. Il ne dépend donc ni de la longueur des
piles de protocoles, ni de la performance de la CPU ni de l’implémentation
logicielle.
Le temps de rafraîchissement pour 1000 E/S s’élève à 30 µs, y compris le
temps de cycle des îlots. Pour la communication avec 100 axes servo,
Beckhoff annonce encore des temps de cycle de 100 µs. Durant cette
période, tous les axes reçoivent leur valeurs de consigne et données de
contrôle et mentionnent leur position et état actuels. L’horloge
distribuée permet de synchroniser les axes avec un écart inférieur à une
microseconde.
Diagnostic
Les temps d’utilisation et délais de mise en service dépendent fortement
des possibilités de diagnostic d’un système. Seule une localisation rapide
et précise d’une panne permet d’y réagir. Voilà pourquoi Beckhoff a
attaché une attention toute particulière aux possibilités de diagnostic
lors du développement du système EtherCAT. Durant la mise en service, il
suffit simplement de contrôler si la configuration actuelle des îlots
d’E/S correspond à la configuration visée. Grâce à l’identification
intégrée de la topologie jusqu’au niveau des modules, ces îlots peuvent
être testés au démarrage et le réseau chargé automatiquement en mémoire.
Les erreurs de bits dans le transfert de données sont reconnues par le
calcul de la somme de contrôle du CRC.
L’évaluation automatique des erreurs est également possible et permet d’identifier
et de localiser des interruptions de réseau, de mauvaises insertions de
connecteurs et autres…
Coupleurs de bus
Outre les nouveaux coupleurs Ethernet avec une connexion E-bus, des
composants avec une connexion K-bus peuvent être simultanément raccordés
au réseau à l’aide de coupleurs adéquats. La compatibilité et la
transparence avec les systèmes existants sont ainsi garanties ce qui évite,
par la même occasion, des coûts supplémentaires.
Ouverture
La conception de la technologie EtherCAT est entièrement compatible avec
Ethernet et se distingue par son ouverture. Le protocole travaille avec
les autres services et protocoles basés sur Ethernet sur un réseau
physique identique. Des modules Ethernet quelconques peuvent être
raccordés. Des appareils avec une interface de bus de terrain sont
intégrés via des coupleurs de maître de bus EtherCat. Les variantes du
protocole UDP peuvent être implémentées sur chaque interface.
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