СТА 3/2010

ОБ ЗОР / П РОМЫШЛ Е ННЫЕ С Е Т И 10 (Precision Time Protocol). О таких комму таторах Ethernet будет рассказано далее. E THER CAT: НЕМНОГО О « КОШКАХ » EtherCAT (вопреки заголовку рас шифровывается как Ethernet for Cont rol Automation Technology) – протокол, изначально разработанный компанией Beckhoff для контроля движения по сети Ethernet реального времени. Сеть EtherCAT базируется на архитектуре Master Slave, может сосуществовать с cетью Ethernet (также с EtherNet/IP). Протокол EtherCAT требует режима Full duplex, зато может быть некритич ным по отношению к топологии (звез да, кольцо, шина). EtherCAT может работать в режиме как реального, так и недетерминиро ванного времени. Первый режим, на зываемый EtherType, работает только в EtherCAT сегменте, не использует IP протокол и, следовательно, несовмес тим с Ethernet. Второй использует для передачи трафика протоколы UDP/IP, совместим с Ethernet, но уже не в пол ной мере удовлетворяет условиям ре ального времени. Мастер сети (ведущее устройство) организует обмен данными циклично. Данные EtherCAT передаются в виде кадров, упакованных в стандартные те леграммы Ethernet, но с большим при оритетом. Ведомые устройства в сети только выполняют команды ведущего. Формат данных в EtherCAT представ лен на рисунке 3. Телеграммы Ethernet от мастера сети последовательно обходят все ведомые устройства, каждое из которых на лету находит свой адрес в кадре, считывает или вставляет данные (от 2 бит до 64 кбайт) и отправляет телеграмму дальше. Процесс чтения/записи в ведо мых устройствах выполняется с по мощью специального контроллера EtherCAT аппаратно, благодаря чему занимает несколько наносекунд. Для внутренней синхронизации в EtherCAT используется упрощённая версия про токола IEEE 1588. Быстродействие EtherCAT позволяет опрашивать 1000 ведомых устройств ввода/вывода с циклом в 30 микросе кунд. При контроле вращения частота контроля 100 приводов может дости гать 10 кГц. Протокол EtherCAT относится к про токолам жёсткого реального времени только при использовании режима EtherType. При этом ведущее и ведомые устройства должны быть на одной шине без промежуточных активных устройств (коммутаторы, маршрутизаторы). В слу чае работы по протоколам UDP/IP EtherCAT более гибок, но не удовлетво ряет требованиям реального времени. P OWERLINK – « МОЩНЫЙ » E THERNET Протокол Powerlink был разработан австрийским производителем коммуни кационного оборудования Bernecker & Rainer. Принцип организации сетей с использованием протокола Powerlink основан на разделении сети на сегменты недетерминированного и реального вре мени. Последний необходим, как пра вило, на машинном уровне промыш ленной сети, который и так выделяется в отдельный сегмент в целях защиты от внешних данных. На физическом уров не модели OSI в сегменте Real Time ис пользуются стандартные IP пакеты дан ных, архитектура клиент сервер, обыч ные кабели согласно IEEE 802.3. Для обеспечения условий реального време ни в рамках протокола Ethernet цикл пе редачи данных в сети по методу, называ емому Slot Communication Network Ma nagement (SCNM), осуществляется по строгому графику в 2 приёма: пер вый – для критичных ко времени до ставки данных и второй для трафика с низким приоритетом. Ведущее устрой ство определяет график этих фаз и пере дачи данных всем участникам (ведомым устройствам) сегмента Real Time, что за одно исключает образование коллизий в сети. Такая организация делает упомяну тый в начале статьи метод CSMA/CD протокола Ethernet ненужным для дан ного сегмента и, соответственно, исклю чает его влияние на детерминизм сети. Powerlink использует 2 типа данных: PDO (Process Data Objects) для переда чи высокоприоритетных данных, так тируемых по времени, и SDO (Service Data Objects) для низкоприоритетных данных, некритичных ко времени дос тавки. Физически же профиль устрой ства представляет собой электронную XML совместимую таблицу, находя щуюся в памяти устройства в файле с расширением EDS. Функционирование Powerlink сов местимых устройств может происхо дить в трёх режимах: базовом, подгото вительном и рабочем. Первый режим используется для конфигурирования устройства, включается вместе с уст ройством и позволяет передавать толь ко данные с низким приоритетом. При подготовительном режиме происходит инициализация подключенных ведо мых сетевых устройств или загрузка конфигурации. Непосредственно рабо чий режим делится на три фазы: старт цикла (синхронизация по времени ве домых устройств с ведущим), изохрон ная (циклическая) фаза (для передачи данных с высоким приоритетом), асинхронная фаза (данные Ethernet). Схематично этот процесс представ лен на рисунке 4. Реализация протокола Powerlink в се ти в принципе не требует разграничения с остальной сетью Ethernet. Сам прото кол также не нуждается в специальном аппаратном обеспечении. Однако при менение активных устройств в сегменте Powerlink не рекомендовано. Даже са мый простой коммутатор будет вносить неконтролируемые задержки и противо речить требованиям реального времени. Также для повышения стабильности ра боты сети рекомендовано отделение сег мента сети с Powerlink от основной сети Ethernet маршрутизатором. В последней СТА 3/2010 www.cta.ru EtherCAT заголовок EtherCAT команда Данные Счётчик Заголовок Данные Контроль CRC Ethernet заголовок EtherCAT команда EtherCAT команда Рис. 3. Формат данных в протоколе EtherCAT Время цикла Цикл Powerlink Асинхронные данные Ведущее устройство Ведомые устройства У 1 , У 2 …У n Начало цикла Запрос У 1 Запрос У 2 Запрос У n Конец фазы Ответ У 1 Ответ У 2 Ответ У n Рис. 4. Организация цикла передачи данных протокола Powerlink © СТА-ПРЕСС