СТА 3/2010

ных данных и соответственно получает 4 байта управляющих команд при 100 процентной загруженности шины (то есть с очень коротким временем откли ка двигателя), доля полезных данных составляет не более 4,8%. При среднем значении времени отклика в 10 мкс ско рость передачи полезных данных падает до 1,9%. Эти ограничения характерны для всех Ethernet технологий реального времени, которые построены на прин ципе передачи отдельных Ethernet паке тов каждому устройству, вне зависимос ти от используемых при передаче Ether net пакета протоколов. П РИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ E THER CAT Технология EtherCAT снимает ограни чения, свойственные другим технологи ям, в которых Ethernet пакет принима ется, затем интерпретируется, обрабаты вается и пересылается на отдельное уст ройство. EtherCAT модули на лету счи тывают адресованные им данные и запи сывают ответные, то есть это происходит во время прохождения пакета через мо дуль ввода вывода (рис. 1). При этом время задержки пакета на модуле состав ляет всего несколько наносекунд. Пакет, отправленный мастером, проходит через все устройства, пока не достигнет конца сегмента или ответвления. На последнем устройстве определяется открытый порт, поэтому пакет отсылается обратно. Поскольку Ethernet пакет содержит данные ввода вывода многих устройств, КПД использования канала связи воз растает до 90%. При этом используются возможности высокоскоростной полно дуплексной передачи данных по стандар ту 100Base TX. Таким образом может быть достигнута высокая скорость обме на данными, составляющая более 100 ме габит в секунду (2 × 100 Мбит/с при КПД использования канала порядка 90%). Но что дают все эти особенности EtherCAT, и какова выгода конечного пользователя? Рассмотрим это подробнее. Высокая эффективность EtherCAT превосходит по скорости классические системы полевых шин и является одной из самых быстрых тех нологий среди решений, основанных на промышленном Ethernet. Типовое время цикла для EtherCAT составляет от 50 до 250 мкс, в то время как у классических полевых шин время обновления зани мает от 5 до 15 мс. Поэтому решение на базе EtherCAT может более полно ис пользовать вычислительную мощность промышленного компьютера, а возрос шая скорость управляющей части обес печивает повышенную точность резуль татов. Более скоростная сеть позволяет уменьшить время ожидания, тем самым увеличивая производительность линии или всего цеха, что приводит к опреде лённому росту эффективности. Так, один из ведущих производителей обору дования для литья пластмассы под дав лением сообщает, что применение EtherCAT позволило им уменьшить ко лебание веса деталей и тем самым уменьшить отклонения в толщине сте нок пластмассовых изделий, что дало экономию материалов в 180 000 долла ров США в год на каждой линии. Точность синхронизации EtherCAT не только быстрая, но и точ ная технология, что достигается при по мощи системы глобального времени (distributed clock), которая обеспечивает выборку значений времени по принци пу синхронизации во всей сети со сдви гом значительно меньшим, чем 1 мкс (рис. 2). В большинстве случаев отклоне ние составляет меньше 100 нс. Такая точ ность необходима для решений с син хронизированным управлением переме щением или для измерительных задач. Экономическая эффективность технологии Низкая стоимость EtherCAT обеспе чивается, с одной стороны, программ ной реализацией EtherCAT мастера и использованием стандартного Ethernet порта на стороне промышленного компьютера, а с другой стороны – отно сительной дешевизной интегрирован ных контроллеров подчинённых моду лей (slaves). Использование стандартных Ethernet кабелей и Ethernet разъёмов, а также отсутствие требований к приме нению коммутаторов или активных ком понентов сети для коммутации позволя ют снизить расходы на монтаж и эксплу атацию. Также сокращаются затраты на инжиниринг, поскольку сеть не требует тонких настроек, а диагностические воз можности технологии обеспечивают точ ную локализацию ошибки и сокраще ние времени на устранение неполадок. Кроме констатации низких цен на чи пы и аппаратную часть, следует отме тить такие важнейшие факторы, влияю щие на их дальнейшее снижение, как всемирное признание технологии EtherCAT, широкий ассортимент соот ветствующей продукции и конкуренция между её производителями. Технология EtherCAT продвигается организацией EtherCAT Technology Group (ETG), ко торая насчитывает более 1000 компаний участниц из 47 стран. EtherCAT – это быстро адаптируемая технология на базе промышленного Ethernet: каталог изде лий на сайте ETG уже насчитывает более 500 наименований, разнесённых по бо лее чем 200 категориям, и, кроме того, в самое ближайшее время ожидается по явление на рынке множества новинок. Гибкость и возможность миграции Сеть на основе EtherCAT практически не имеет ограничений по топологии: ли ния, звезда, дерево, кольцо с резервиро ванием и другие типы – до 65 535 узлов в сегменте. Если расстояние между узла ми превышает 100 метров, применяется оптоволокно. Также возможно интегри ровать беспроводные технологии. Функция «горячего» подключения (hot connect) позволяет подключать/отклю чать узлы во время работы. В сети EtherCAT не требуется выстав лять адреса вручную на каждом устрой стве при помощи переключателей, на старте системы адреса назначаются авто матически. Даже если устройство добав ляется позднее, начальные адреса не ме няются. В мастере EtherCAT возможно реализовать функцию автоматического распознавания сети и сравнение сущест вующей конфигурации с ожидаемой при помощи специальной программы. После замены устройства все параметры могут быть загружены автоматически. В EtherCAT можно легко интегриро вать классические системы полевой ши ны. На данный момент уже поддержива ются 19 различных систем. Среди них есть такие как PROFIBUS DP, CAN, CANopen, DeviceNet. Это позволяет ин тегрировать уже имеющиеся устройства в сеть EtherCAT и реализовывать интер фейсы в смежные системы или системы ОБ ЗОР / П РОМЫШЛ Е ННЫЕ С Е Т И 17 СТА 3/2010 www.cta.ru Рис. 2. Осциллограмма сигналов двух устройств в сети EtherCAT, включающей 300 узлов с длиной кабеля между ними 120 м Синхронность ~15 нс Отклонение ~±20 нс © СТА-ПРЕСС