गति नियंत्रण में ईथरकैट बस प्रौद्योगिकी का अनुप्रयोग

अवलोकन

EtherCAT एक ओपन आर्किटेक्चर के साथ एक ईथरनेट-आधारित फील्डबस सिस्टम है। EtherCAT में CAT कंट्रोल ऑटोमेशन टेक्नोलॉजी का संक्षिप्त रूप है। मूल रूप से जर्मनी में बेकहॉफ ऑटोमेशन GmbH द्वारा विकसित किया गया। EtherCAT फील्डबस उपयोग की लागत को कम करने या यहां तक ​​कि अनुपालन करते हुए रीयल-टाइम प्रदर्शन और टोपोलॉजिकल लचीलेपन के लिए एक नया मानक सेट करता है। EtherCAT में उच्च परिशुद्धता उपकरण तुल्यकालन, वैकल्पिक केबल अतिरेक और कार्यात्मक सुरक्षा प्रोटोकॉल (SIL3) भी शामिल हैं।

सिद्धांत

वास्तविक समय की कार्यक्षमता प्रदान करने के लिए कई ईथरनेट समाधान हैं: उदाहरण के लिए, एक उच्च प्रोटोकॉल परत के माध्यम से CSMA/CD एक्सेस प्रक्रिया को अक्षम करना और इसे टाइम स्लाइस या पोलिंग प्रक्रिया के साथ बदलना। अन्य योजनाएँ निजी स्विच का उपयोग करती हैं और सटीक समय नियंत्रण के साथ ईथरनेट पैकेट वितरित करती हैं। हालांकि ये समाधान कनेक्टेड इथरनेट नोड्स को अपेक्षाकृत तेज़ी से और सटीक रूप से पैकेट वितरित कर सकते हैं, बैंडविड्थ उपयोग कम है, विशेष रूप से विशिष्ट स्वचालन उपकरणों के लिए, क्योंकि बहुत कम मात्रा में डेटा के लिए भी, एक पूर्ण इथरनेट फ्रेम भेजा जाना चाहिए। इसके अलावा, आउटपुट या ड्राइव कंट्रोलर को रीडायरेक्ट करने और इनपुट डेटा को पढ़ने के लिए आवश्यक समय काफी हद तक निष्पादन मोड पर निर्भर करता है। विशेष रूप से मॉड्यूलर I/O सिस्टम में एक सबबस का उपयोग करना अक्सर आवश्यक होता है, जो बेकहॉफ के-बस की तरह, सिंक्रोनस बस सिस्टम के माध्यम से ट्रांसमिशन को गति देता है, लेकिन इस तरह के सिंक्रोनाइज़ेशन से संचार बस ट्रांसमिशन में देरी नहीं होगी।

EtherCAT के साथ, Beckhoff अन्य ईथरनेट समाधानों की इन सिस्टम सीमाओं को दूर करने में सक्षम था: प्रत्येक कनेक्शन बिंदु पर ईथरनेट पैकेट प्राप्त करना, उन्हें डिकोड करना और उन्हें प्रक्रिया डेटा में कॉपी करना आवश्यक नहीं था। चूंकि फ़्रेम प्रत्येक डिवाइस से होकर गुजरता है, जिसमें अंतर्निहित टर्मिनल डिवाइस भी शामिल है, EtherCAT स्टेशन नियंत्रक से डेटा पढ़ता है जो उस डिवाइस के लिए महत्वपूर्ण है। इसी तरह, इनपुट डेटा को संदेश में डाला जा सकता है क्योंकि यह गुजरता है। फ़्रेम पारित होने के बाद (केवल कुछ बिट्स द्वारा विलंबित), दास स्टेशन संबंधित आदेश को पहचानता है और इसे संसाधित करता है। यह प्रक्रिया दास नियंत्रक में हार्डवेयर के माध्यम से कार्यान्वित की जाती है और इसलिए वास्तविक समय चलने वाली प्रणाली या प्रोटोकॉल स्टैक सॉफ़्टवेयर के प्रोसेसर प्रदर्शन से स्वतंत्र है। नेटवर्क सेगमेंट में अंतिम EtherCAT स्लेव पूरी तरह से संसाधित संदेश देता है ताकि संदेश पहले स्लेव से मास्टर को प्रतिक्रिया संदेश के रूप में वापस आ जाए।

ईथरनेट के दृष्टिकोण से, EtherCAT बस खंड केवल एक बड़ा ईथरनेट डिवाइस है जो ईथरनेट फ्रेम प्राप्त करता है और भेजता है। हालाँकि, इस "डिवाइस" में डाउनस्ट्रीम माइक्रोप्रोसेसर के साथ एक ईथरनेट कंट्रोलर नहीं है, लेकिन केवल बड़ी संख्या में EtherCAT स्लेव स्टेशन हैं। किसी भी ईथरनेट की तरह, EtherCAT को संचार स्थापित करने के लिए स्विच की आवश्यकता नहीं होती है, जिसके परिणामस्वरूप शुद्ध EtherCAT सिस्टम होता है।

प्रदर्शन

EtherCAT नेटवर्क प्रदर्शन के एक नए स्तर पर पहुँचता है। 1000 वितरित I/O डेटा की रीफ्रेश अवधि टर्मिनल चक्र समय सहित केवल 30μs है। ईथरनेट फ्रेम के माध्यम से, प्रक्रिया डेटा के 1486 बाइट्स तक का आदान-प्रदान किया जा सकता है, I/O के लगभग 12,000 डिजिटल वॉल्यूम के बराबर। डेटा की इतनी मात्रा को केवल 300μs में प्रेषित किया जा सकता है।

100 सर्वो शाफ्ट के साथ संचार केवल 100μs है। इस समय के दौरान, सभी अक्षों को सेटिंग मान और नियंत्रण डेटा प्रदान किया जा सकता है और उनकी वास्तविक स्थिति और स्थिति की रिपोर्ट की जा सकती है। वितरित घड़ी प्रौद्योगिकी यह सुनिश्चित करती है कि इन अक्षों के बीच तुल्यकालन समय विचलन 1 माइक्रोसेकंड से कम हो।

ईथरकैट प्रौद्योगिकी के उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ, हम उस नियंत्रण पद्धति को महसूस कर सकते हैं जिसे पारंपरिक फील्डबस प्रणाली द्वारा महसूस नहीं किया जा सकता है। इस तरह बस के जरिए अल्ट्रा हाई स्पीड कंट्रोल लूप भी बन सकते हैं। पहले मूल समर्पित हार्डवेयर समर्थन की आवश्यकता वाले कार्यों को अब सॉफ्टवेयर में मैप किया जा सकता है। विशाल बैंडविड्थ संसाधन राज्य डेटा को किसी भी डेटा के साथ समानांतर में प्रसारित करने में सक्षम बनाते हैं। EtherCAT तकनीक संचार तकनीक को आधुनिक, उच्च-प्रदर्शन वाले औद्योगिक पीसीएस से मेल खाने में सक्षम बनाती है। विचारों को नियंत्रित करने के लिए बस प्रणाली अब एक अड़चन नहीं है। वितरित I/O में डेटा वितरण प्रदर्शन से अधिक है जिसे केवल स्थानीय I/O इंटरफेस द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।

यह नेटवर्क प्रदर्शन लाभ अपेक्षाकृत मध्यम कंप्यूटिंग शक्ति वाले छोटे नियंत्रकों में स्पष्ट है। EtherCAT का हाई-स्पीड लूप, जिसे दो कंट्रोल लूप के बीच किया जा सकता है। इसलिए, नियंत्रक के पास हमेशा नवीनतम इनपुट डेटा उपलब्ध होता है और आउटपुट एड्रेसिंग विलंब न्यूनतम होता है। नियंत्रक की प्रतिक्रिया व्यवहार को उसकी स्वयं की कंप्यूटिंग शक्ति को बढ़ाए बिना महत्वपूर्ण रूप से सुधारा जा सकता है।

EtherCAT के सिद्धांत स्केलेबल हैं और बैंडविड्थ के 100 मेगाबिट्स तक सीमित नहीं हैं - गीगाबिट ईथरनेट तक स्केल करना संभव है।

EtherCAT PCI की जगह लेता है:

पीसी घटक लघुकरण के विकास में तेजी के साथ, औद्योगिक पीसी की मात्रा मुख्य रूप से आवश्यक स्लॉट की संख्या पर निर्भर करती है।

हाई-स्पीड ईथरनेट बैंडविड्थ और ईथरकैट कम्युनिकेशन हार्डवेयर (ईथरकैट स्लेव कंट्रोलर) डेटा बैंडविड्थ के उपयोग ने एक नई एप्लिकेशन संभावना खोली: आईपीसी में सामान्य रूप से स्थित इंटरफेस को ईथरकैट सिस्टम में बुद्धिमान इंटरफ़ेस टर्मिनलों में स्थानांतरित कर दिया गया। वितरित I/O, कुल्हाड़ियों और नियंत्रण इकाइयों के अलावा, जटिल सिस्टम जैसे कि फील्डबस मास्टर स्टेशन, हाई-स्पीड सीरियल इंटरफेस, गेटवे और अन्य संचार इंटरफेस को पीसी पर ईथरनेट पोर्ट के माध्यम से संबोधित किया जा सकता है। यहां तक ​​कि अन्य ईथरनेट डिवाइस, जिनमें कोई प्रोटोकॉल संस्करण प्रतिबंध नहीं है, को DVS टर्मिनलों के माध्यम से जोड़ा जा सकता है। औद्योगिक पीसी मेनफ्रेम आकार छोटा हो रहा है, लागत कम हो रही है, सभी संचार कार्यों से निपटने के लिए एक ईथरनेट इंटरफ़ेस पर्याप्त है।

वितरित फील्डबस मास्टर टर्मिनल के माध्यम से एकीकरण के लिए PCI फील्डबस उपकरणों (PROFIBUS, CANopen, DeviceNet, AS-i, आदि) के बजाय ईथरनेट का उपयोग करें। फील्डबस मास्टर का उपयोग नहीं करने से पीसी में पीसीआई स्लॉट बच जाते हैं।

बस की स्थिति

बस, पेड़ या तारा: EtherCAT लगभग सभी टोपोलॉजी का समर्थन करता है। इस प्रकार, फील्डबस से प्राप्त बस संरचना का उपयोग ईथरनेट के लिए भी किया जा सकता है। सिस्टम वायरिंग के लिए बस और शाखा संरचनाओं का संयोजन विशेष रूप से सहायक है। सभी इंटरफेस कप्लर्स पर स्थित हैं, जिससे अतिरिक्त स्विच की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। बेशक, आप पारंपरिक स्विच-आधारित स्टार ईथरनेट टोपोलॉजी का भी उपयोग कर सकते हैं।

विभिन्न ट्रांसमिशन केबल्स का उपयोग तारों के लचीलेपन को अधिकतम कर सकता है। लचीले और सस्ते मानक ईथरनेट प्लग-इन केबल ईथरनेट मोड (100baseTX) या ई बस के माध्यम से सिग्नल प्रसारित कर सकते हैं। ऑप्टिकल फाइबर (Pfos) का उपयोग विशेष अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है। ईथरनेट बैंडविड्थ (जैसे विभिन्न ऑप्टिकल और कॉपर केबल) का उपयोग स्विच या मीडिया कन्वर्टर्स के संयोजन में किया जा सकता है। फास्ट ईथरनेट की भौतिक विशेषताएं उपकरणों को 100 मीटर की दूरी पर रहने की अनुमति देती हैं, जबकि ई-बस केवल 10 मीटर की दूरी पर हो सकती है। दूरी की आवश्यकताओं के अनुसार फास्ट ईथरनेट या ई-बस का चयन किया जा सकता है। EtherCAT सिस्टम 65535 उपकरणों को समायोजित कर सकता है, इसलिए समग्र नेटवर्क आकार लगभग असीमित है।

आप टोपोलॉजी को स्वतंत्र रूप से चुन सकते हैं। तारों में सबसे बड़ा लचीलापन है: स्विच का उपयोग करना है या नहीं, बस टोपोलॉजी संरचना का उपयोग करना है, या पेड़ टोपोलॉजी संरचना का उपयोग करना है, पसंद का कोई संयोजन हो सकता है। स्वचालित पता आवंटन; आपको IP पता सेट करने की आवश्यकता नहीं है।

खुलापन

EtherCAT न केवल ईथरनेट के साथ पूरी तरह से संगत है, बल्कि इसमें एक अद्वितीय ओपन डिज़ाइन विशेषता भी है: यह अन्य ईथरनेट प्रोटोकॉल के साथ सह-अस्तित्व में रह सकता है जो विभिन्न प्रकार की सेवाएं प्रदान करते हैं, और वे सभी एक ही भौतिक माध्यम पर सह-अस्तित्व में रहते हैं - आमतौर पर केवल एक छोटे से प्रभाव के साथ समग्र नेटवर्क प्रदर्शन। मानक ईथरनेट उपकरणों को स्विच टर्मिनल के माध्यम से ईथरकैट सिस्टम से जोड़ा जा सकता है, जो चक्र समय को प्रभावित नहीं करता है। पारंपरिक फील्डबस इंटरफेस से लैस उपकरणों को ईथरकैट फील्डबस मास्टर टर्मिनल से कनेक्शन के माध्यम से नेटवर्क में एकीकृत किया जा सकता है। यूडीपी प्रोटोकॉल वैरिएंट उपकरणों को किसी भी स्लॉट इंटरफ़ेस में एकीकृत करने की अनुमति देता है। EtherCAT एक पूरी तरह से खुला प्रोटोकॉल है जिसे आधिकारिक IEC विनिर्देश (IEC/PAS62407) के रूप में मान्यता दी गई है।