Beckhoff 实时以太网

22 Bytes
Ethernet-Header (MAC-ID)
4 RV
88-A4
Beckhoff EtherCAT
46...1500 Bytes Ethernet-Data
CRC
02.05.2020
资料仅供参考
第二个 Beckhoff 解决方案: EtherCAT
•独立于操作系统的实时以太网 (TwinCAT: Windows 2000/XP) •物理介质为标准的以太网 •只须交换机即可通讯(无须集线器Hubs) •主站: 标准的网络组件, 从站: ASIC/FPGA •可用其它以太网协议的并行传输 •性能卓越 (> 10 倍速度) ,同步通讯 •简单灵活的拓普结构 •更加节约成本 •开放技术, EtherCAT 技术组织提供支持. •2004: 问世, 2005 开始进入新的市场领域
11 RV
02.05.2020
资料仅供参考
实时以太网: 刷新时间
18µs
n * 18µs
以太网帧 Node 1
以太网帧 Node n
- 所有以太网帧无须等待从站的响应即可成功发送 - 传送一个160 字节的以太网帧 (相当于 140 字节的数据),只需要18 µs .
12 RV
02.05.2020
• 无,若目前使用10 /100 MBaud 双工 CSMA/CD 或 Hubs . • 有, 若目前使用100 MBaud全双工路由器(RT-Ethernet) 或无
(EtherCAT)
软件:
• 无, 若目前使用TCP/IP 堆栈 (标准操作系统或 RTOS). • 有, 若直接在RTOS的以太网框架内使用协议.
• 循环周期：低于 1 ms • 大的数据流 • 确定性和实时能力 • 过程数据的循环通讯 • 参数数据的非循环通讯 •(简单的纵向集成)simple vertical integration • 灵活的拓普结构 • 节约成本
2 RV
02.05.2020
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以及网+实时?
软硬件要求: 硬件:
Jitter(抖动) = 任务周期!
19 RV
总线系统 任务周期 总线周期 总线模式 波特率 主站同步 从站同步 输入滤波
实时以太网 1 ms 1 ms Polling令牌式 100 MBaud yes yes 0,2 ms
02.05.2020
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比较响应时间
任务时间
Lightbus
4 任务周期
Output Tmdv: 主站处理延时
TI/O: 本地I/O刷新时间(Firmware)
18 RV
02.05.2020
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实时以太网的响应时间测量
输入信号 最慢2,4 ms 最快1,4 ms
输出信号
I/O-Bus I/O-Bus
输入 滤波
任务: 1 ms
网格 0,4 ms
Jitter 1 ms
02.05.2020
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实时以太网: 组件
- AX2000-B900
- 典型响应时间 250 µs
- BK9000
-典型响应时间 1 - 3 ms
- BK9100
-典型响应时间 1 - 3 ms
- IL230x-B900
-典型响应时间 1 - 5 ms (因为可以连接多达 120个 IE – 模块)
同步总线系统 (Lightbus, PROFIBUS)
输出数据
输入数据
17 RV
20 字节的输入/输出数据
02.05.2020
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刷新-, 循环- 和反应时间
Beckhoff TwinCAT / 实时以太网
I PLC Task O I PLC Task O I PLC Task O II PPLLCCTTaasskk OO I PLC Task O
- CX1000
-典型响应时间 1 ms
22 RV
02.05.2020
资料仅供参考
EtherCAT的发展历程
通过 TCP/IP 或 UDP/IP的通讯 e.g. ModbusTCP, ADS, ….
实时以太网
- 无实时 - 循环时间 2 – 50 ms - 无特殊的软硬件需求
- 硬实时 - 循环时间 1 ms - TwinCAT I/O 和Intel以太网芯片
20 RV
02.05.2020
资料仅供参考
实时以太网相对于其它总线系统的优势:
- 无需特殊的现场总线卡 (低成本) - 使用标准的以太网组件实现灵活的连接
- 局域网 - 广域网 - 光纤 -… - 高传输率 - 整个系统的快速响应时间 - 使用DMA 控制器节约 CPU资源供其它应用程序使用
21 RV
资料仅供参考
实时以太网配置 II
Windows2000/XP 标准的网络适配器
Switch
I/O (BK9000)
I/O
(Drives)
9 RV
使用硬实时:
通过第二个网络适配器与办公 室/公司网络通讯
办公室/公司网络
Switch
Windows2000/XP
标准的网络适配器
网络变量 / ADS
Windows2000/XP 标准的网络适配器
I PLC O
I PLC O
I PLC O
I PLC O
Iwk.baidu.comPLC O
I PLC O
I PLC O
Ethernet 延时
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
TI/O
最短时间
最长的反应时间
Bus 刷新时间 Bus 循环时间
Input Input (Worst case) (Best case)
响应
Ca. 1500 μs
18 μs
与LightBus相比: 105 ms x 2 = 210 ms PROFIBUS 12 Mbaud: 18 ms x 2 = 36 ms
16 RV
02.05.2020
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实时以太网: 刷新时间
PLC-任务
实时以太网
输出数据
K-Bus
4,5 μs
输入数据
6 RV
以太网控制器
以太网控制器
e.g. Profibus Master
02.05.2020
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RT-Ethernet + EtherCAT: 直接内存访问为主站节约时间
传统的PC控制硬件
IPC 硬件总线卡
现场总线PC卡:
DP RAM
• 通过PCI卡和CPU通讯 • 占用CPU来传输PC内存
交换机
•带标准Intel网络适配器的工业计算机 •交换机可堆迭 •100 Base-Tx时,传输距离可达100米 •标准的快速以太网 100 Mbit/s,使用Cat5e网线 (屏蔽双绞线) •标准的RJ45接头
优势: 交换机 仅需使用标准的网络组件
I/O (BK9000)
Drives
8 RV
02.05.2020
15 RV
02.05.2020
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实时以太网: 刷新时间
包含140个数据字节的160字节帧, 以及输出数据, 60 从站, 100 Mbaud, 只 需要1,5 ms K-Bus
请求 18 μs
18 µs * 60 Slaves = 1080 μs K-Bus 1. Slave
K-Bus 60. Slave
14 RV
02.05.2020
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实时以太网: 刷新时间
16µs
n * 16µs
response
以太网帧 Box 1
以太网帧 Box n
有可能出现这种情况, 所有的帧尚未完全发送完毕,而部分连接设备的帧已经返 回到主站, 这是因为: 1. 以太网全双工通讯, 同时发送和接收 2. 数据存放在缓冲区, 由交换机控制其发送
变量 n
publisher / subscriber
10 RV
subscriber
subscriber
publisher 02.05.2020
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实时以太网的特征:
▪ 标准的快速以太网: •节约成本的网络组件 •电缆 •连接器
▪ 安装方便 ▪ 符合Windows 环境的驱动 ▪ 基于软件的解决方案, 无需特殊硬件 ▪ I/O传送时间 < 60 µs ▪ 周期性的 I/O 和标准 TCP/IP在同样的硬件上并行 (Y-driver) ▪ PC-PC 间通过以太网实现确定性的通讯
22 Bytes
Beckhoff RTEthernet
Ethernet-Header (MAC-ID)
46...1500 Bytes Ethernet-Data
88-A4
5 RV
CRC
02.05.2020
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Y-driver for RT-Ethernet + EtherCAT
带实时以太网驱动的TwinCAT I/O
PCI bus
CPU
• 需要20-30%的CPU资源
以太网卡
• TwinCAT 实时以太网 IO +
IPC 硬件以太网卡
EtherCAT 使用 DMA 控制器传输过
程数据
CPU
PCI bus NIC card
DMA
PC 内存 PC 内存
7 RV
02.05.2020
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实时以太网配置 I
Windows2000/XP 标准的网络适配器
资料仅供参考
Ethernet 向下延伸至现场I/O级
一种总线技术满足所有需求： 优势:
• 通讯稳定 • 安装简便 • 系统独立 • 可访问每一个过程数据 • 标准的以太网协议 • 有竞争力的强大网络 • 带宽: 100 MBaud 至 1 Gigabit
1 RV
02.05.2020
资料仅供参考
实时以太网要求:
3 RV
02.05.2020
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第一个 Beckhoff 解决方案: RT-Ethernet
•实时以太网驱动 („Y-driver“) 支持 Windows 2000/XP •物理介质为标准以太网 •全双工通讯: 仅需交换机而无需HUB集线器. •只需要标准的网络组件 •可用其它以太网协议的并行传输 •高性能 (媲美 Powerlink) •费用低廉 •2002起供货
嵌入式 PC (CX1000)
02.05.2020
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用实时以太网实现PC-PC 通讯
网络变量 ▪ 发布/接收模式 :
• 广播 • 多播 • 单点 ▪ PC ↔ PC 间的实时以太网通讯 < 1 ms ▪ 以及网类型: 为EtherCAT ▪ 协议: 实时以太网, 类似 EtherCAT
变量 1
资料仅供参考
实时以太网: 刷新时间
- 经过交换机向设备发送和接收数据帧 - 接收和发送数据之间的延时约为10-300µs,这取决于交换机和传输数据的多少
13 RV
02.05.2020
资料仅供参考
实时以太网: 刷新时间
当帧到达耦合器后,内部总线周期激活, 仅当所有收到的数据刷新并可用后,才发出 响应信息.
Profibus 同步模式
4 任务周期
运行时间:
每个周期刷新60 个从站, 每个从站140字节 数据
小计
126 ms
4 * 126 ms = 504 ms
20 ms
4 * 20 ms = 80 ms
实时以太网
2 任务周期
2 ms (不含 K-Bus) 含K-Bus,最大刷新 时间: 2 ms 加 K-Bus 刷新 时间 2 * (2 ms +3 ms KBus) = 10 ms
EtherCAT
23 RV
- 硬实时 - 循环时间 < 100 μs - Beckhoff 实例: TwinCAT I/O 及 Intel 以太网芯片
02.05.2020
• 硬实时通讯
• 如经许可, 还能控制操作系统的 以太网通信controlling of operating system Ethernet traffic
Windows
TwinCAT
TCP/IP
(原始WINDOWS堆栈)
NDIS 协议
NDIS 端口 NDIS 端口
I/O System
过程映象区 TwinCAT I/O TwinCAT I/O