EtherCAT ili Ethernet for Control Automation Technology je otvoreni fieldbus protokol visokih preformansi, zasnovan na Ethernet-u. Cilj razvoja ovog protokola je primena Ethernet-a u aplikacijama automatizacije, koje zahtevaju kratka vremena update-ovanja uz nisku cenu hardvera. Ovaj protokol je razvila kompanija Beckhoff Automation, a svi korisnici ove tehnologije su postali članovi EtherCAT Tehnology grupe, međunarodnog udruženja korisnika i proizvođača sa oko 200 kompanija članica.

Uvod

 Fieldbus predstavlja integralnu komponentu tehnologije automatizacije. U početku se fieldbus tehnologija ispitivala i testirala, dok je sada u širokoj upotrebi. Upravo je ona omogućila široku upotrebu kontrolnih sistema zasnovanih na PC-ju. Kako se performanse procesora kontrolera (posebno ICP) ubrzano poboljšavaju, konvencionalni fieldbus sistemi će predstavljati „usko grlo“ koje ograničava performanse kontrolnih sistema koje mogu biti postignute. Dodatni faktor predstavlja slojevita kontrolna arhitektura koja sadrži nekoliko podređenih (uglavnom cikličnih sistema): pravi kontrolni zadatak, fieldbus sistem i moguće lokalno bus proširenje unutar ulazno/izlaznog sistema ili jednostavno lokalni firmware ciklus kod perifernih uređaja. Tipično vreme odziva je 3-5 puta veće u odnosu na vreme ciklusa kontrolera i stoga predstavlja nezadovoljavajuće rešenje.

                                              Slika br. 1: Vreme odziva konvencionalnih fielbus sistema

Princip rada

 EtherCAT tehnologija prevazilazi pojedina ograničenja svojstvena Ethernet rešenjima. Ovde je novina to da se Ethernet paket više ne prima, obrađuje i kopira na svakom uređaju. EtherCAT slave uređaji čitaju podatke na njih adresirane, dok frejm prolazi kroz čvor. Kašnjenje frejmova iznosi samo nekoliko nanosekundi. Kako Ethernet frejm sadrži podatke o velikom broju uređaja, i u smeru slanja i primanja, brzina prenosa podatka raste i do 90%. Karakteristike punog dupleksa 100BASE-TX standarda su potpuno iskorišćene pa se mogu postići brzine od 100 Mbps. Prema IEEE802.3 standardu Ethernet protokol ostaje netaknut, sve do pojedinačnih terminala.

Protokol

 EtherCAT protokol je optimizovan za obradu podataka i transportuje se direktno unutar Ethernet frejma zahvaljujući EtherType polju (dva okteta unutar Ethernet frejma). Frejm može sadržati nekoliko pod-telegrama, pri čemu svaki služi pojedinačnoj memoriji logičke obrade čija veličina može doći i do 4 GB. Sekvenca podataka je nezavisna u odnosu na fizički redosled Ethernet terminala u mreži, a adresiranje se može izvršiti bilo kojim redosledom. Broadcast, Multicast i komunikacija između slave uređaja je izvodljiva. Direktni prenos Ethernet frejma se izvodi u slučajevima kada se zahtevaju maksimalne performanse, pri čemu su EtherCAT komponente u istoj podmreži kao i kontroler.

 Međutim, EtherCAT nije ograničen samo na podmrežu (subnet). EtherCAT UDP pakuje EtherCAT protokol u UDP/IP datagrame. Ovde je moguća čak i komunikacija između rutera različitih podmreža. U ovoj varijanti, performanse sistema zavise od kontrolnih karakteristika u realnom vremenu i implementacije Ethernet protokola. UDP datagram mora biti otpakovan na prvoj stanici.

Slika br. 2: EtherCAT: Standardnifrejmovi prema IEEE 802.3 standardu

 EtherCAT koristi standardne frejmove prema standardu IEEE 802.3, frejmove koji se ne skraćuju. EtherCAT frejmovi se stoga mogu slati sa bilo kog Ethernet kontrolera (master) i mogu se koristiti standardni uređaji (poput monitora).

Topologija

 EtherCAT podržava bilo koju vrstu topologije: linija, drvo ili zvezda. Bus ili linijska struktura poznata iz fieldbus standarda je stoga na raspolaganju i za Ethernet. Za sistem umrežavanja posebno je važna mogućnost kombinacije linija i grana. Svi potrebni interfejsi su u kaplerima tako da dodatnio svičevi nisu potrebni.

 Fleksibilnost umrežavanja se dodatno povećava izborom različitih kablova. Plastična optička vlakna (POF) dopunjuju sistem za specijalne primene. U kombinaciji sa svičevima i media konvertorima može se koristiti potpun izbor Ethernet kablova, a to su različite vrste optičkih vlakana ili bakarnih kablova. Fizika brzog Ethernet-a daje mogućnost korišćenja kablova dužine 100 m između dva uređaja. Procenjuje se da može biti povezano do 65.535 uređaja, tako da je veličina mreže praktično neograničena.

Slika br. 3: Fleksibilna topologija: linija, drvo, zvezda.

Performanse

 EtherCAT doseže nove dimenzije performansi mreže. Zahvaljujući hardverskoj integraciji u slave i direktnom memorijskom pristupu master mrežnoj kartici, kompletna obrada protokola odvija se unutar hardvera i stoga uopšte ne zavisi od vremena izvršenja stek protokola, performansi procesora ili implementacije softvera. Vreme update-ovanja za 1000 I/U jedinica iznosi samo 30 μs. Jednim Ethernet frejmom može biti razmenjeno do 1486 bajtova obrade podataka, što je ekvivalentno broju od 12.000 digitalnih ulaza i izlaza. Prenos ove količine podataka traje samo 300 μs.

Komunikacija sa 100 servo osa (servo axes) traje samo 100 μs. Tokom tog perioda svim osama su obezbeđene komandne vrednosti i kontrolni podaci uz izveštaj aktuelnih pozicija i statusa. Tehnika distribuiranog takta omogućuje sinhronizaciju osa uz devijaciju značajno manju od 1 μs.

                                                   Tabela br. 1: Pregled EtherCAT performansi

Ethernet preko EtherCAT-a (EoE)

 Za EtherCat tehnologiju važi to da je ne samo potpuno kompatibilna sa Ethernet-om, već postoji i određena „otvorenost“ dizajna. Naime, protokol dopušta druge servise i protokole zasnovane na Ethernet-u na istoj fizičkoj mreži, obično uz minimalno slabljenje performansi. Ne postoje ograničenja po pitanju tipova Ethernet uređaja koji se mogu povezivati unutar
EtherCAT segmenata. Ethernet frejmovi se tuneluju EtherCAT protokolom, standardnim pristupom u internet aplikacijama (VPN, PPPoE (DSL), isl.). EtherCAT mreža je potpuno transparentna za Ethernet uređaje. U EtherCAT okruženju se mogu koristiti sve internet tehnologije: integrisani web server, e-mail, FTP prenos itd.

Implementacija – Master i Slave

 EtherCAT koristi standardne Ethernet kontrolere pa se može postići određeno smanjenje troškova. Ovde komunikacija koprocesora nije uslov, pošto se obično samo jedan Ethernet frejm šalje po jednom ciklusu. EtherCAT stoga predstavlja jedino Ethernet rešenje sa zahtevima u realnom vremenu a bez specijalnih master plug-in kartica, tako da je dovoljna standardna NIC kartica. Master se obično implementira kao čisto softversko rešenje. Implementacija EtherCAT mastera se izvršava jednostavno, posebno za kontrolne sisteme male i srednje veličine.

 U slave uređajima se koriste ekonomični EtherCAT slave kontroleri (ASIC ili FPGA). Za jednostavne uređaje nisu potrebni dodatni mikrokontroleri, dok za složenije, performanse EtherCAT komunikacije su praktično nezavisne od korišćenih kontrolera. EtherCAT slave kontrolere nudi nekoliko proizvođača. Slave kontrolere kompanije Beckoff karakteriše DPRAM (dual port RAM) i oni nude spektar interfejsa za pristup apikativnoj memoriji.

Zaključak

EtherCAT odlikuju izvanredne performanse, veoma jednostavno umrežavanje i otvorenost ka drugim protokolima. EtherCAT postavlja nove standarde tamo gde konvencionalni fieldbus sistemi dosežu svoje granice: 1000 U/I jedinica za 30 μs i, zahvaljujući Ethernet-u i internet tehnologijama, optimalnu vertikalnu integraciju. Uz EtherCAT, skupa Ethernet topologija zvezde može biti zamenjena jednostavnom linijskom strukturom bez dodatnih skupih infrastrukturnih komponenata. Po izboru, EtherCAT se može umrežavati i klasično, korišćenjem svičeva, kako bi se postigla integracija ostalih Ethernet uređaja. U slučajevima kada drugi Ethernet pristupi u realnom vremenu zahtevaju specijalne konekcije u kontroleru, dovoljne su vrlo ekonomične standardne Ethernet kartice (NIC). EtherCAT odlikuju potpuna Ethernet kompatibilnost, maksimalno iskorišćenje širokog opsega koji nudi Ethernet i izvanredne karakteristike u realnom vremenu uz smanjenje troškova.

The post EtherCAT komunikacioni protokol appeared first on Automatika.rs.

Modbus – serijski komunikacioni protokol predstavljen davne 1979.godine od strane kompanije Modicon, namenjen komunikaciji između progaramabilnih logičkih kontrolera-PLC-ova. Karakterišu ga jednostavnost i robusnost. Besplatan je te je veoma pogodan za upotrebu. Ovaj protokol je master/slave protokol sa half-duplex prenosom iz grupe Fieldbus protokola. Podržava jedan master i do 247 slave uređaja u jednoj Modbus mreži.

 Moderna verzija Modbus koristi Ethernet kao bazični sloj a Modbus/TCP podržava i internet okruženje. Koriste se tri tipa Modbus prenosa:

• ASCII–jedan byte poruke se sastavlja od dva ASCII karaktera;
• RTU– poruke se sastaje od binarnih bajtova;
• Modbus/TCP (ovde se modbus poruka ugrađuje u standardni okvir TCP/IP poruke).

 Modbus ASCII i RTU prenos se koriste na RS232 i RS485 mrežama dok Modbus/TCP protokol operiše na svim fizičkim nivoima koje podržava TCP/IP protokol kao što su 10BASE-T i 100BASE-T LAN kao i serijski PPP i SLIP mrežni nivoi. Modbus protokol podržavaju razni PLC, ali i razni inteligentni sensori.

Slika br.1 Modbus sistem sa jednim master uređajem i više slave uređaja

Struktura MODBUS poruke

 U daljem tekstu imaćete priliku da se upoznate sa strukturom modbus poruke. Modbus poruka ima jasno definisanu strukturu koja ne zavisi od tipa prenosa (RS232 ili TCP/IP). U slučaju prostih konekcija (RS485 ili RS232) cela mreža je namenjena samo za Modbus poruke i Modbus poruka se šalje upravo onako kako je definisana u ovom poglavlju. U slučaju da se Modbus poruka šalje preko neke druge mreže, ona se mora ugraditi u standardnu poruku za prenos tom mrežom, kao na primer u standardnu TCP/IP poruku preko Ethernet mreže.

Modbus poruka ima četiri osnovna elementa, koji se šalju po istom rasporedu. Poruka se sastoji od:

1. Device address – adrese primaoca,
2. Function code – koda funkcije koju treba izvršiti,
3. Data -eventualno potrebnih podataka za funkciju,
4. Error check – polja za proveru greške.

 Početak i kraj poruka se prepoznaju preko Frame start i Frame end karaktera ili signala. Ti signali zavise od tipa prenosa, što je objašnjeno u sledećem poglavlju.

Modbus konverzaciju uvek počinje master jedinica. Ona šalje poruku koja se zove master query i kojom se uobičajeno obraća jednoj slave jedinici. Jedna slave jedinica se prepoznaje na osnovu svoje adrese koja se slaže sa Device address poljem i sprema odgovor. Ostale neprozvane slave jedinice ne odgovaraju i ostaju sa izlazima u stanju visoke impedance. Odgovor može biti puna Modbus poruka, koja sadrži podatke koje master traži, a može bit ii samo prosta potvrda prijema (acknowledgement) u kojoj se sastoji od 1, 2 i 4 elemenata Modbus poruke (dakle, često master ne traži podatke, nego samo neku akciju). Šematski prikaz tipične Modbus komunikacije prikazan je na slici br.2.

Slika br.2 Dva tipična ciklusa tokom Modbus komunikacije. Master query (1) i potpun odgovor od slave jedinice (2a) , ili Master query (1) i samo potvrda prijema od strane slave jedinice (2b)

Osnovni modovi prenosa

 Modbus konekcija se može izvršiti preko dva bazična moda za transmisiju i kodovanje poruke, ASCII i RTU. Modbus/ASCII šalje poruku koja se može čitati u ASCII formatu dok Modbus/RTU šalje poruku u binarnom formatu. Master i slave moraju da budu konfigurisani za isti mod prenosa.

Modbus/ASCII. Modbus/ASCII (American Standard Code for Information Interchange) šalje bajtove poruke kodirane u heksadecimalnom sistemu. Da bi jedan bajt sa mogućim brojnim opsegom od 0 do 255 heksadecimalno kodovao potrebna su dva ASCII hex karaktera ili dva nova bajta. Dozvoljeni karakteri su 0…9 i A…F i svaki se prenosi jednim bajtom (8) ili radi uštede vremena sa grupom od 7 bitova. Na primer karakter koji predstavlja broj ‘0’ je ASCII kodovan bajtom 48 ili 0x30, karakter ‘1’ se koduje i prenosi bajtom 0x31 , slovu ‘A’ odgovara bajt 65 ili 0x41 i tako dalje. Ako master zove slave na adresi 26, on šalje dvobajtno polje Device address ‘1’ ‘A’ = 0x31 0x41 = 00110001 01000001

 Modbus/ASCII šalje duplo više bajtova nego što treba ali ima i prednosti. Pošto su za slanje svih polja dozvoljeni samo karakteri 0…9 i A…F za detekciju starta se koristi karakter ‘:’ dok se kraj poruke signalira karakterima ‘CR/LF’.

 Modbus/RTU. Modbus/RTU (Remote terminal unit) šalje podatke u binarnom formatu, bajtove koji mogu primiti vrednost od 0-255. Svaki bajt informacije se šalje direktno, bez konverzije. Ako master zove slave na adresi 26, on salje jednobajtno polje Device address = 0x1A = 00011010

Modbus/RTU šalje duplo manje bajtova ali ima dodatan utrošak vremena radi sinhronizacije starta poruke. Pošto sada bajtovi poruke mogu poprimiti sve moguće brojne kombinacije, nije više moguće izdvojiti jednu od njih za start karakter. Zato se u RTU modu start može pokreniti uvek nakon tišine na iniju u trajanju od 3.5 karaktera. Stop poruke se takođe može detektovati preko tišine na liniju u trajanju od 3.5 karaktera. Ovo znači da mora postoja period neaktivnosti na liniju u trajanju od 3.5 karaktera. Svaki Modbud prijemnik u RTU modu čisti svoj prijemni bafer nakon tišine u trajanju od 1.5 karaktera i spreman je za novu poruku. On takođe smatra da je poruka gotova ako detektuje tišinu u trajanju od 1.5 karaktera.

Podrazumeva se da trajanje karaktera zavisi od podešene brzine prenosa jednog bita i broja bitova u tipičnom bajtu poruke. Modbus to ne specificira, nego koristi podešeno u korišćenim low level protokolima. Na primer , ako se koristi RS232 protokol za prenos jednog Modbus byte, sa podešenim jednim bitom parnosti, imamo 1 +8+1+1 bitova, što za brzinu prenosa 9600b/s dovodi do jednog karaktera u trajanju od 1.145 ms.

Tabela br.1

 Tabela br.1 pokazuje da Modbus/ASCII poruka počinje sadrži samo hexadecimalne ASCII karaktere (time istu poruku čine više bajtova), počinje sa dodatnim ‘:’ karakterom, završava sa dodatnom carriage return/linefeed sekvencom i time je manje efikasna od RTU poruke koja šalje binarno kodovane podatke. Ali, kod Modbus/RTU poruke je važno da poruka bude poslata kontinualno bez pause u prenosu duže od 3.5 karaktera. Ako je to nemoguće ostvariti, mora se koristiti Modbus/ASCII transfer.

U oba osnovna tipa transfera master detektuje grešku u prenosu ako ne dobije odgovor od slave jedinice i detektuje timeout. Ukoliko slave detektuje grešku u pristigloj poruci (master query), on neće reagovati na nju a neće ni odgovoriti masteru čime indiretkno i njega obaveštava o grešci.

Oba osnovna tipa Modbus transfera ne zahtevaju otvaranje ili zatvaranje konekcije pre i posle slanja jedne ili više poruka.

Modbus/TCP je nova, treća vrsta Modbus transfera. Predstavlja varijantu Modbus/RTU transfera koja je prilagođena internet okruženju, i koja primenjuje TCP/IP protokol. Modbus/TCP koristi RTU binarni prenos sa TCP/IP detekcijom greške u poruci ili transferu. Modbus/TCP za razliku od ASCII i RTU protokol koji radi na osnovu konekcije. On dozvoljava više konekcija ka istoj ili više slave jedinica. U slučaju Modbus/TCP master mora da otvori i zatvari konekciju pre i posle slanja poruke.

Detekcija greške u Modbus poruci

 Modbus uređaji testiraju tačnost primljene poruke pomoću error check polja. Ovo polje je jednobajtno u ASCII modu prenosa i dvobajtno u RTU modu prenosa. Prijemnik poredi vrednost toga polja sa vrednosti koju je on izračunao na osnovu prijmljenih bajtova i u slučaju razlike detektuje grešku prenosa i ne odgovara na poruku.

LRC detekcija u ASCII modu

 U ASCII modu jedan bajt poruke je rezervisan za proveru greške. Ovaj bajt poruke nosi Longitudinal Redundancy Check (LRC) kod koji se: 

• Računa na predaji na osnovu poslatih bajtova i utiskuje u poruku.
• Po prijemu poruke, isto se računa ali na osnovu primljenih bajtova
• Prijemnik poredi ove dve LRC vrednosti i ako se slažu poruka je bez greške.

Procedura za LRC račun je ista i na predaji i na prijemu:

1. Saberi sve bajtove u poruci, ali bez start bajta ‘:’ i bez završnih CR/LF karaktera.
2. Bajtove sabiraj u 8-bitnoj aritmetici, prenos igorisati,
3. Napravi drugi komplement dobijenog broja (Oduzmi konačan broj od 0xFF (255) i dodaj 1 da bi se dobio njegov II komplement

CRC detekcija u RTU modu

 U RTU modu su dva bajta poruke rezervisana za proveru greške. Ovo 16 –bitno polje se zove Cyclic Redundancy Check (CRC) i računa se na sledeći način (isto na prijemu i predaji):

1. 16 -bitni registar se napuni jedinicama, crc =0xFFFF
2. Vrši se logička XOR operacija nad crc registrom i bajtom poruke,
3. Ukoliko je LSB = 1
   a. Sadržaj crc registra se pomera za jedno mesto udesno
   b. Nad sadržajem crc registra se opet vrši XOR ali sa nekim unapred definisanim brojem (npr. 0xA001)
4. Ukoliko je LSB = 0
   a. Sadržaj crc registra se pomera za jedno mesto udesno
5. U najviši bit (MSB) se upisuje nula,
6. Operacije 2-5 se ponavljaju 8 puta, za svih 8 bitova jednog bajta
7. Zatim se sve to ponavlja 2-6 , za sve bajtove poruke i konačna crc se upisuje u 16-bitno polje.

 Dalja objašnjejna termina i pojmova možete pronaći na sajtu Katedre za energetsku elektroniku i pretvarače, Fakultet tehničkih nauka u Novom Sadu.

 

The post Modbus komunikacioni protokol appeared first on Automatika.rs.