為什麼大家都選擇EtherCAT作為運動控制解決方案?

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如今,現場總線系統已成為實時分佈式控制的一個組成部分,而這也是一個提高控制和監控生產過程安全性的有效方法。在開發項目前期,選擇適合的通信技術十分重要,因為它決定了控制性能是否可以直接到達現場層,以及設備的可選範圍。

雖然傳統的現場總線系統(PROFIBUS、CANopen、DeviceNet、SERCOS等)或多或少也能夠提供安全快速的數據傳輸,但它們在速度、整體生產力、可靠性和實時傳輸等特殊考慮因素方面不如EtherCAT技術。EtherCAT的出現有利於突破傳統現場總線系統的瓶頸,因為它允許透過使用共享內存與應用程序直接交換數據,僅需使用標準網路適配器便能夠滿足需求,而無需額外的硬體。

EtherCAT:以太網控制自動化技術

EtherCAT(Ethernet for Control Automation technology)是一種實現數據特定傳輸的硬實時技術。它可以提供實時性能,旨在通過雙絞線或光纖電纜最大限度地利用高速全雙工以太網數據傳輸,以滿足工業過程控制需求。

基於以太網技術的EtherCAT具有易於實施、擁有成本和標準化等優點,使其成為工業應用上旨在最大限度提高控制系統性能的完美解決方案。該技術的媒體訪問控制採用主/從原理,其中主站節點(通常是控制系統)將以太網幀發送到從站節點,從站節點動態地從這些幀中提取並插入數據。

EtherCAT:以太網控制自動化技術

從以太網的角度來看,EtherCAT部分可看作單個以太網設備,它接收和發送標準ISO/IEC802-3以太網幀。這個以太網設備可能由大量的EtherCAT從站設備組成,它們直接處理傳入的幀並提取相關的用戶數據,或者插入數據並將幀傳輸到下一個EtherCAT從站設備。網段內的最後一個EtherCAT從站設備將完整處理的幀發回,以便第一個從站設備作為響應幀返回給主站設備。

此過程利用以太網的全雙工模式,允許雙向獨立通訊,可以在主站設備和由一個或多個從站設備組成的EtherCAT網段之間建立無需切換的直接通訊,這體現了EtherCAT操作原理的靈活性。

EtherCAT 關鍵特性

▍靈活的拓樸結構

EtherCAT網路能夠支持高達65,535個設備,且對其拓撲結構沒有限制,可以採用線型、樹型、星型等多種方式。

▍高性能

由於EtherCAT協議的特定功能及其在拓撲結構、數字映射方面的靈活性,因此,這項高性能的技術可以極大地提高生產力,例如透過直接內存訪問(DMA),數據能夠以最少的CPU使用率傳輸,從站自己讀寫數據,且只有一個報文返回給主站處理,進而釋放主站資源。

▍低成本

EtherCAT是一種實時工業以太網技術,無需配置在主站、協處理器的特殊插件卡,也無需大量的處理能力,或大量處理能力的特殊插件卡,這項不依賴於集線器和交換機的標準以太網協議便是連接的唯一條件。

▍易於集成

可以透過網關使用CAN、CANopen、EtherNET/IP等現場總線和工業以太網,或透過MailboxoverUDP、MailboxoverTCP第三方工具。

為了幫助項目開發者更快速地實現基於EtherCAT的解決方案,宏虹電子推出了多種EtherCAT開發方案,其中包括提供網路設備與IPC系統交互功能的KPA EtherCAT Master協議棧、可用於創建和修改EtherCAT網路配置的KPA EtherCAT Studio等。

KPA EtherCAT Master協議棧

幫你快速開發EtherCAT功能

KPA EtherCAT Master 協議棧確保了EtherCAT技術的所有優勢:循環時間短、高性能、低成本等。其內核以ANSI“C”實現;因此,它可以很容易地移植到任何具有“C”編譯器的平台。它甚至可以作為模塊在Linux內核空間中運行(與C++實現相反,如果C++代碼使用任何諸如虛函數、模板或異常等特性,則在加載內核模塊時可能會遇到困難)。

KPA EtherCAT Master採用模塊化架構設計,可為不同的操作系統提供可移植性和可擴展性,並適應各種硬體平台。

帶捆綁模塊的KPA EtherCAT Master主站架構圖

說明

▎應用程序

這是一個調用主API 函數的單獨進程。應用程序通過API 對Master 進行幾乎完全的控制:啟動/停止Master、進行配置、更新PI 等。

▎API

允許配置和管理EtherCAT 總線的用戶應用程序編程接口(API)

▎RPC服務器

RPC 服務器負責與遠程客戶端(例如,與KPA EtherCAT Studio)建立連接並將請求轉發到EtherCAT 主堆棧核心。它支持用戶到用戶和用戶到內核模式(通過IOCtl 調用)模式。

▎過程映像

過程映像由影子緩衝區(即直接向/從網絡傳輸的數據)和活動緩衝區(即包含從/向KPA EtherCAT 主站客戶端接收/發送的數據的緩衝區)組成

▎處理任務(外部任務)

實現特定應用控制算法的回調函數。每次重複PI 更新(高優先級)循環時都會調用此回調函數。

▎幀調度器

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▎EtherCAT 網絡驅動程序

RPC 服務器負責與遠程客戶端(例如,與KPA EtherCAT Studio)建立連接並將請求轉發到EtherCAT 主堆棧核心。它支持用戶到用戶和用戶到內核模式(通過IOCtl 調用)模式。

▎線程、互斥體、定時器等

處理線程、定時器、互斥體的依賴於操作系統的函數的包裝器。

▎NIC及其驅動程序

網路接口卡是一種物理設備,用於向/從EtherCAT 網絡發送/接收幀。

▎遠程客戶端

包括KPA EtherCAT Studio和其他相容程序

KPA EtherCAT Master的主要功能包括透過UDP 對智能從站進行集中參數化、特殊接口適配操作系統、用於與運行時或/和配置工具交互的API、用於多個TCP/IP 或/和UDP 連接的服務器等。結合現實應用的多種需求,宏虹電子提供4種可選版本:基礎版、標準版、高級版、擴展包,它們能夠滿足用戶不同層次的需求。

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