Beckhoff 实时以太网

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 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 内部总线周期激活 响应信息. 响应信息
15 RV 08.01.2011
实时以太网: 实时以太网 刷新时间
n * 16µs response
16µs
22 Bytes
88-A4
Beckhoff RTEthernet
46...1500 Bytes Ethernet-Data
CRC
Ethernet-Header (MAC-ID)
6 RV
08.01.2011
RTY-driver for RT-Ethernet + EtherCAT 带实时以太网驱动的TwinCAT I/O 带实时以太网驱动的 Windows
12
RV
08.01.2011
实时以太网: 实时以太网 刷新时间
n * 18µs
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 传送一个160 字节的以太网帧 (相当于 140 字节的数据 只需要 µs . 字节的数据),只需要 只需要18 相当于
每个周期刷新60 个从站, 每个从站140字节 数据
126 ms
20 ms
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 K-Bus) = 10 ms
小计
4 * 126 ms = 504 ms
4 * 20 ms = 80 ms
交换机 交换机
优势: 优势 仅需使用标准的网络组件
I/O (BK9000)
Drives
9
RV
08.01.2011
实时以太网配置 II
Windows2000/XP 标准的网络适配器 办公室/公司网络 办公室 公司网络 Switch Windows2000/XP Switch
标准的网络适配器
使用硬实时: 使用硬实时
Beckhoff 实时以太网
1
RV
08.01.2011
向下延伸至现场I/O I/O级 Ethernet 向下延伸至现场I/O级 一种总线技术满足所有需求： 一种总线技术满足所有需求： 优势: 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 带宽:
17 RV 08.01.2011
相比: 与LightBus相比 相比 105 ms x 2 = 210 ms PROFIBUS 12 Mbaud: 18 ms x 2 = 36 ms
实时以太网: 实时以太网 刷新时间
PLC-任务
实时以太网
输出数据
K-Bus
20 字节的输入/输出数据
4,5 µs
输入数据
3
RV
08.01.2011
以及网+实时 以及网 实时? 实时
软硬件要求: 硬件: 硬件
• 无,若目前使用 /100 MBaud 双工 CSMA/CD 或 Hubs . 若目前使用10 若目前使用 • 有, 若目前使用 若目前使用100 MBaud全双工路由器 全双工路由器(RT-Ethernet) 或无 全双工路由器 (EtherCAT)
2
RV
08.01.2011
实时以太网要求: 实时以太网要求:
• 循环周期：低于 1 ms 循环周期： • 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 简单的纵向集成) 简单的纵向集成
• 灵活的拓普结构 • 节约成本
通过第二个网络适配器与办公 室/公司网络通讯
Windows2000/XP 标准的网络适配器
I/O (BK9000) I/O 网络变量 / ADS
嵌入式 PC (CX1000)
(Drives)
10 RV 08.01.2011
用实时以太网实现PC用实时以太网实现PC-PC 通讯 PC
网络变量 发布/接收模式 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: 以及网类型 为EtherCAT 协议: 实时以太网, 协议 实时以太网 类似 EtherCAT
• 硬实时通讯 • 如经许可, 还能控制操作系统的 如经许可 以太网通信controlling of 以太网通信 operating system Ethernet traffic
TwinCAT I/O System
过程映象区 TwinCAT I/O TwinCAT I/O
TCP/IP
(原始 原始WINDOWS堆栈 堆栈) 原始 堆栈 NDIS 协议 NDIS 端口 NDIS 端口
DP RAM
PCI bus
CPU
PC 内存
IPC 硬件以太网卡
CPU
PC 内存
PCI bus
DMA
NIC card
8
RV
08.01.2011
实时以太网配置
Windows2000/XP 标准的网络适配器
I
带标准Intel网络适配器的工业计算机 网络适配器的工业计算机 带标准 交换机可堆迭 100 Base-Tx时,传输距离可达 传输距离可达100米 时 传输距离可达 米 使用Cat5e网 标准的快速以太网 100 Mbit/s,使用 使用 网 屏蔽双绞线) 线 (屏蔽双绞线 屏蔽双绞线 • 标准的RJ45接头 标准的RJ45接头 • • • •
• • • • • • • • 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 集线器. 全双工通讯 仅需交换机而无需 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) 媲美 费用低廉 2002起供货 起供货
22 Bytes
88-A4
Beckhoff EtherCAT
46...1500 Bytes Ethernet-Data
CRC
Ethernet-Header (MAC-ID)
5 RV
08.01.2011
解决方案: 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 无须集线器Hubs) 只须交换机即可通讯 无须集线器 主站: 标准的网络组件, 从站: 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 倍速度) 同步通讯 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, 技术组织提供支持. 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 问世,
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RV
08.01.2011
实时以太网: 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 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 这取决于交换机和传输数据的多少
14 RV 08.01.2011
实时以太网: 实时以太网 刷新时间
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RV
08.01.2011
实时以太网相对于其它总线系统的优势: 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 低成本) 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 使用DMA 控制器节约 CPU资源供其它应用程序使用 资源供其它应用程序使用
以太网控制器
以太网控制器
e.g. Profibus Master
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RV
08.01.2011
RTRT-Ethernet + EtherCAT: 直接内存访问为主站节约时间
IPC 硬件总线卡
传统的PC控制硬件 传统的 控制硬件 现场总线PC卡 现场总线 卡: • 通过 通过PCI卡和 卡和CPU通讯 卡和 通讯 • 占用 占用CPU来传输 内存 来传输PC内存 来传输 • 需要20-30%的CPU资源 需要20-30%的CPU资源 以太网卡 • TwinCAT 实时以太网 IO + EtherCAT 使用 DMA 控制器传输过 程数据
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RV
08.01.2011
实时以太网: 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 典型响应时间
- BK9100
-典型响应时间 1 - 3 ms 典型响应时间
I PLC O I PLC O
I
PLC Task
I PLC O
O
I PLC O
I PLC O
Ethernet 延时
TI/O
TI/O
TI/O
TIБайду номын сангаасO 最短时间 最长的反应时间
TI/O
TI/O Bus 刷新时间 Tmdv: 主站处理延时
TI/O Bus 循环时间
TI/O
Input Input (Worst case) (Best case)
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 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: 回到主站 这是因为 1. 以太网全双工通讯 同时发送和接收 以太网全双工通讯, 2. 数据存放在缓冲区 由交换机控制其发送 数据存放在缓冲区,
软件: 软件
• 无, 若目前使用 若目前使用TCP/IP 堆栈 (标准操作系统或 RTOS). 标准操作系统或 • 有, 若直接在 若直接在RTOS的以太网框架内使用协议 的以太网框架内使用协议. 的以太网框架内使用协议
4
RV
08.01.2011
解决方案: RT第一个 Beckhoff 解决方案: RT-Ethernet
I/O-Bus
输入 滤波
任务: 1 ms
I/O-Bus
主站同步 从站同步 输入滤波
Jitter 1 ms
网格 0,4 ms
Jitter(抖动) = 任务周期!
20
RV
08.01.2011
比较响应时间
Lightbus Profibus 同步模式
4 任务周期
实时以太网
任务时间
4 任务周期
2 任务周期
运行时间: 运行时间:
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RV
08.01.2011
实时以太网: 实时以太网 刷新时间
包含140个数据字节的 个数据字节的160字节帧 以及输出数据 60 从站 100 Mbaud, 只 字节帧, 从站, 包含 个数据字节的 字节帧 以及输出数据, 需要1,5 ms K-Bus 需要 18 µs * 60 Slaves = 1080 µs K-Bus 1. Slave 请求 K-Bus 60. Slave 18 µs 18 µs 响应 Ca. 1500 µs
变量 n 变量 1
publisher / subscriber
subscriber
subscriber
publisher
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RV
08.01.2011
实时以太网的特征: 实时以太网的特征:
标准的快速以太网: 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 符合 基于软件的解决方案, 无需特殊硬件 基于软件的解决方案 I/O传送时间 < 60 µs 传送时间 周期性的 I/O 和标准 TCP/IP在同样的硬件上并行 (Y-driver) 在同样的硬件上并行 PC-PC 间通过以太网实现确定性的通讯
同步总线系统 (Lightbus, PROFIBUS)
输出数据
输入数据
18 RV 08.01.2011
刷新-, 循环刷新 循环 和反应时间
Beckhoff TwinCAT / 实时以太网
I PLC Task
I PLC O
O
I
PLC Task
O
I
PLC Task
I PLC O
O
II PLC Task OO PLC Task
Output
TI/O: 本地I/O刷新时间(Firmware)
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RV
08.01.2011
实时以太网的响应时间测量
输入信号
总线系统 任务周期
实时以太网 1 ms 1 ms Polling令牌 式 100 MBaud yes yes 0,2 ms
最慢2,4 ms 最快1,4 ms 输出信号
总线周期 总线模式 波特率