EtherCAT-技术介绍课件.ppt
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- EtherCAT 技术 介绍 课件
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1、Schneider Electric1- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology1EtherCAT: 介绍Beckhoff 工业工业PCBeckhoff 驱动技术驱动技术Beckhoff LightbusBeckhoff TwinCATBeckhoff 总线端子总线端子Beckhoff 现场总线端子盒现场总线端子盒Beckhoff 嵌入式控制器嵌入式控制器Beckhoff PC总线卡,交换机总线卡,交换机Beckhoff EtherCATSchneider Electric2- ISC Mar
2、keting - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology2EtherCAT 用于控制和自动化技术的以太网Schneider Electric3- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology3EtherCAT 是以太网现场总线! EtherCAT 是直达I/O级的实时以太网。 再也无须下挂子系统 没有网关延时 输出输出, 传感器,驱动器,显示单元: 所有设备位于同一个总线上。Schneider Electric4- ISC Mar
3、keting - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology4EtherCAT :更快传输速率: 2 x 100 Mbaud(全双工)刷新时间: 256 开关量 I/O :11 s 1000 开关量 I/O 分布于 100 节点 :30 s = 0.03 ms 200 模拟量 I/O (16 位) :50 s, 20 kHz 采样频率 100 伺服轴 (每 8 字节 IN+OUT) : 100 s = 0.1 ms 12000 开关量 I/O : 350 sSchneider Electric5- ISC Marketing -
4、 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology5EtherCAT :更快!I/O和驱动使用的以太网带宽Ethernet headerdata: 46 字节CRC I/O请求及输出数据请求及输出数据data pay load:e.g. 2 bit6 byte4 字节22 字节IPG12 字节 I/O输入数据及响应输入数据及响应Ethernet headerdata: 46 字节CRCIPG节点响应时间以太网帧: 84 字节(incl. preamble + IPG Inter Packet Gap)每个节点 4 输入字节+ 4输出字
5、节:4,75% 应用程序数据率 at 0 s 每节点响应时间1,9% 应用程序数据率 at 10 s 每节点响应时间Schneider Electric6- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology6EtherCAT :更快!带宽使用比较:每节点4字节用户数据: polling/time slicing: ca. 2.5% 广播(master slaves) ca. 2030% 每节点2数据位的用户数据: EtherCAT: 8097%Schneider Electric7- ISC Marke
6、ting - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology7实用原则: 以太网 “飞一般”通过绝对寻址,实现最小的协议头DVIIPC.优势优势: 专门针对分布式专门针对分布式I/O的优化报文结构的优化报文结构 完全的硬件通讯完全的硬件通讯: 最好的性能最好的性能 若网络中只有若网络中只有EtherCat设备,则无须交换机设备,则无须交换机 显著的诊断功能显著的诊断功能 以太网兼容的维护性能以太网兼容的维护性能Schneider Electric8- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet
7、Control Automation Technology8实用原则: 以太网 “飞一般” 可使用标准交换机可使用标准交换机 通过交换机通过交换机: 一个一个Mac地址可访问多达地址可访问多达65535 个节点个节点(可选!)SwitchDVIIPC.Schneider Electric9- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology9实用原则: 以太网 “飞一般”飞一般“的运算,节约时间 数据在报文传送期间可以修改或添加,而无需堆栈、缓存或分解/组合。 每个节点最小的 报文延时 最佳性能vom
8、Masterto Masterfrom MasterSchneider Electric10- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology10EtherCAT 性能 40 轴 (每轴6字节输入/ 输出数据) 50 I/O 站,总共560个 EtherCAT 总线端子 2000 数字量 + 200 模拟量I/O, 总线长度 500 m EtherCAT性能 : 循环时间 230s at 33% 总线负载, 报文长度 77s 比较: 1 个CAN 帧 (8 字节过程数据),在总线速率 500 kBit
9、/s时: 250sSchneider Electric11- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology11EtherCAT性能* Source: Ethernet Powerlink Spec V 2.0, App.3 40 轴 (每轴6字节输入/ 输出数据) 50 I/O 站,总共560个 EtherCAT 总线端子 2000 数字量 + 200 模拟量I/O, 总线长度 500 m EtherCAT性能 : 循环时间 230s at 33% 总线负载, 报文长度 77s 比较: Profin
10、et IRT 763 s, Powerlink V2 2347s*, Profinet RT 6355 sSchneider Electric12- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology12EtherCAT性能* Source: Ethernet Powerlink Spec V 2.0, App.3 40 轴 (每轴20字节输入/ 输出数据) 50 I/O 站,总共560个 EtherCAT 总线端子 2000 数字量 + 200 模拟量I/O, 总线长度 500 m EtherCAT性能
11、 : 循环时间 276s at 44% 总线负载, 报文长度 122s 比较: Profinet IRT 763 s, Powerlink V2 2347s*, Profinet RT 6355 s56%保留带宽, e.g. for TCP/IP0%保留带宽Schneider Electric13- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology13Cycle Time50 s = 0,05 ms报文 Time: 7sgrid0,02 msOutput switches End of FrameEth
12、erCAT 性能Schneider Electric14- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology14慢“的控制系统同样受益现有现场总线I/O的系统结构bus cyclebus cyclebus cyclebus cyclebus cyclebus cyclebus cycleTmpdTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OPLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC ta
13、skI输出输出最快反应时间Tmpd: 主站处理延时TI/O: 本地I/O刷新时间(本地扩展总线+固件)最慢反应时间输入输入(最好的情况)输入输入(最差的情况)Schneider Electric15- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology15慢“的控制系统同样受益使用EtherCAT的系统结构TmpdTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OTI/OPLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC tas
14、kOIPLC taskI无需下挂总线无需要专门的主站设备bus cyclebus cyclebus cyclebus cyclebus cyclebus cyclebus cycleSchneider Electric16- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology16PLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC taskI慢“的控制系统同样受益使用使用EtherCAT的系统结构的系统结构Schneider Electric17- ISC Marketi
15、ng - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology17PLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC taskITDMA (NIC)TEtherCAT cycleTDMA (通过直接内存访问的数据传送往返以太网控制器的时间)可以忽略不计可以忽略不计慢“的控制系统同样受益使用使用EtherCAT的系统结构的系统结构Schneider Electric18- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technol
16、ogy18慢“的控制系统同样受益使用 EtherCAT的反应时间PLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC taskOIPLC taskI输入输入(最差情况)输出输出最差情况下反应时间输入输入(最佳情况)最佳情况 反应时间明显降低反应时间明显降低 同样的控制器性能同样的控制器性能 再也没有下挂本地再也没有下挂本地I/O循环和总线扩展延时循环和总线扩展延时 得益于极其简单的协议,系统无需专门的主站得益于极其简单的协议,系统无需专门的主站Schneider Electric19- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Contro
17、l Automation Technology19慢“的控制系统同样受益EtherCAT 提高了系统性能 无需要改变CPU,反应速度加倍Schneider Electric20- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology20现场总线: 需要在控制系统中映射 传统的现场总线系统生成一个物理的过程映像区 物理的过程映像区必须映射到逻辑过程映像区控制系统, e.g. IPC现场总线扫描器/ 主站逻辑过程映像区逻辑过程映像区PLC datadata nNC dataDPRAMnode 1node 2no
18、de 3node 4node 1node 2node 3node 4映射Schneider Electric21- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology21控制系统, e.g. IPC现场总线扫描器/ 主站现场总线: 需要在控制系统中映射 一个控制系统的应用项目只能使用一个的过程映像 还需保存过程数据的映射关系。逻辑过程映像区逻辑过程映像区processdataDPRAMnode 1node 2node 3node 4node 1node 2node 3node 4映射Schneider E
19、lectric22- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology22EtherCAT: 映射关系移至从站设备逻辑过程映像逻辑过程映像: 多达多达4G字节字节0232报文结构Ethernet HDR HDR 1PLC dataHDR 2NC data HDR ndata nCRCPLC datadata nNC dataSub报文报文 1Sub报文报文 2Sub报文报文 nDVIIPC. 控制系统控制系统解放出来解放出来, 主站变得非常简单主站变得非常简单 根据应用的需要传送数据:非常迅速,灵活,高
20、效根据应用的需要传送数据:非常迅速,灵活,高效Schneider Electric23- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology23直接内存访问节约时间现场总线卡: 多达 30% 的 CPU 时间用于数据复制EtherCAT: NIC 是PCI总线主站, 数据由DMA提供, 直接放到 PC 内存: CPU 减负 更高的性能PC RAMPC RAM使用现场总线卡的PC Control PCI bus Scanner card, DP RAM CPU使用EtherCAT的PC ControlNIC
21、 card, DMA transfer control taskmemcopycontrol taskDMACPUPCI bus Schneider Electric24- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology24EtherCAT 传送延时的测量 (I)测量EtherCAT 节点数据帧发出和返回之间的时间差vom MasterEtherCAT frameSchneider Electric25- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control
22、 Automation Technology25EtherCAT 传送延时的测量(II)可计算任意节点间的传送延时DVIIPC.Schneider Electric26- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology26EtherCAT 分布时钟精确同步 ( 1 s!) ,通过分布时钟的精确调整来实现!MSSSSSSSStDVIIPC.Schneider Electric27- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation T
23、echnology27EtherCAT 分布时钟使用SCOPE VIEW长期观察两个独立设备300个节点,节点间电缆长度120米,jitter: +/-20nssimultaneousness: 15 nsSchneider Electric28- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology28 EtherCAT 使用标准的帧: IEEE 802.3 可选择 UDP/IP (如果需要IP路由) 无缩短帧EtherCAT 是工业以太网!MTU: max. 1514 bytesourcedestina
24、tionheaderEther typeCRC16 bit16 bit48 bit48 bit32 bitEthernet H.IP headerUDP H.header内嵌标准以太网帧 w. EtherType 88A4hOr: via UDP/IPwith UDP port 88A4htyperes.lengthCRC1 bit4 bit11 bit160 bit64 bit01112151.n EtherCAT commandsSchneider Electric29- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation
25、 Technology29EtherCAT 设备EtherCAT 是工业以太网!对 TCP/IP完全透明 可使用所以英特网技术: HTTP, FTP, 无需严格的实时能力Ethernet PHYEtherCAT MAC / DLLprocess datamailboxEthernet PHYIPTCPUDPEthernet应用acyclicdata实时应用标准的 TCP/IP stackSchneider Electric30- ISC Marketing - 1/2010EtherCAT: Ethernet Control Automation Technology30EtherCAT 是工
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