EtherCAT SyncUnit

По умолчанию, TwinCAT старается как можно более эффективно распределить системные ресурсы, нагрузку на шину и, как следствие, оптимально обмениваться данными. Это означает, что данные, передающиеся циклично, должны быть собраны вместе, в одну или несколько датаграмм. По возможности, этих датаграмм должно быть как можно меньше: это приведет к снижению нагрузки шину и увеличению скорости передачи данных, а следовательно и к увеличению реакции системы в целом (увеличится быстродействие).

TwinCAT старается объединить все данные в одну единственную большую датаграмму и только затем отправить ее по шине. Тем не менее существуют ситуации, когда должен вмешаться специалист чтобы изменить компоновку фрейма, разбивая его на две, три или даже большее количество частей-фреймов. Для этого у специалиста есть инструмент под названием SyncUnit (SU) — модуль синхронизации.

SU необходимы и работают только для циклического обмена данными.

Модули синхронизации

• Для циклического обмена данными с подчиненными устройствами, каждому SU отводится отдельная команда EtherCAT. Можно сказать, что модули синхронизации добавляют отдельные команды во фрейм или что они выделяют соответствующие PDO в отдельную команду EtherCAT и позволяют обособить один PDO от другого.
• Можно комбинировать данные разных подчиненных устройств.
• Каждый SU имеет свою собственную диагностику.
• Выполняет контроль ошибок и целостности циклической передачи данных.
• Осуществляет независимый контроль ошибок: ошибка в одном модуле, не влияет на другой.
• В случае ошибки, можно продолжать работать даже когда недоступна часть системы.
• SU позволяет вмешиваться в работу TwinCAT, в то же время оставаясь полностью автоматической и самостоятельной системой, не требующей настройки.
• Каждый подчиненный может сформировать свой собственный операционный образ, которому гарантируется целостность и синхронность передачи.
• Количество независимых операционных образов зависит от реализации EtherCAT Slave Controller (ESC), то есть от количества SyncManager и доступных каналов FMMU.
• Команда BRD отправляется в задаче с самым низким приоритетом.
• Создавать и управлять новыми SU можно как из настроек подчиненного, так и настройками всей шины EtherCAT.

Не забывайте, что SyncManager и SyncUnit — это разные вещи! Несмотря на то, что на картинке ниже для операционного образа (PDO) используются разные SyncManager (SM): один для входящих, другой для исходящих данных; модуль синхронизации (SU) у них одинаковый, то есть он синхронизирует как ввод, так и вывод данных фрейма.

Для диагностики ошибок существует система счетчиков работоспособности (Working Counter, WkC, WC). Мастер отправляет датаграмму с WC = 0 и ожидает, что датаграмма вернется со счетчиком WC > 0 и WC равному определенному значению, которое мастер определил еще на этапе конфигурации.

В случае если на одном из подчиненных произойдет ошибка или авария, мастер просто отбросит все данные соответствующей датаграммы. Это может стать проблемой, так как в отброшенной датаграмме могут одновременно присутствовать данные двадцати устройств (или ста двадцати) и не все они будут находится в аварийном состоянии. Чтобы такого не происходило, можно разбить устройства на группы и назначить каждой группе свой собственный SyncUnit, но злоупотреблять не стоит — ресурсы шины не безграничны.

Справочная система о Sync Unit Assignment.

SyncTask

Всего доступно четыре задачи синхронизации (Sync Tasks) — это задачи осуществляющие обмен данными через шину. Максимально доступное число задач можно изменить в настройках EtherCAT-шины, см. Sync Tasks.

Каждая такая задача TwinCAT (Task with I/O), осуществляющая циклический обмен данным, имеет свой собственный SyncUnit-фрейм. Ее данные отправляются независимым фреймом так, что чтение/запись операционных данных может происходить с разным временем цикла. Это значительно снижает нагрузку шины, а дробление на фреймы производится автоматически, не затрудняя разработчика.

Одна задачи = один фрейм Ethernet = от одной до 15 датаграмм (один фрейм Ethernet способен передавать до 1480 байт). Обычно создается новый фрейм, когда передается больше 15 датаграмм (здесь и только здесь, датаграмма будет соответствовать команде EtherCAT). Также новый фрейм будет создан, если передается больше 1480 байт. Новый фрейм будет иметь аналогичное время цикла.

По умолчанию, можно создать до четырех задач с независимым вводом/выводом. Если же сложится ситуация, когда должно быть создано большее количество фреймов, то все низкоприоритетные задачи ввода/вывода помещаются в один фрейм с временем цикла самой низкоприоритетной задачи.

Практика и работа над ошибками

Возьмем два 16-разрядных модуля ввода дискретных сигналов EL1809 и аналогично вывода EL2809. Создадим дополнительную задачу (Additional Tasks) с временем цикла 10 миллисекунд:

#0 LWR, 4 байта, SyncUnit <default>, 10 мсек — модули выходов, два раза по 16 входов = 32 бита / 8 = 4 байта.
#0 LRD, 4 байта, SyncUnit <default>, 10 мсек — модули входов
#0 BRD, 2 байта, SyncUnit <default>, 10 мсек — пока не интересно

Теперь будем читать входа каждые 10 мсек, а отправлять задания на выхода каждые 100 мсек, то есть в десять раз реже, чем ввод (очень похоже на оверсамплинг, только медленнее). Для этого создадим отдельную задачу Task 2:

#0 LRD, 4 байта, SyncUnit <default>,  10 мсек.
#1 LWR, 4 байта, SyncUnit <default>, 100 мсек.
#1 BRD, 2 байта, SyncUnit <default>, 100 мсек.

Так как время цикла задачи отличается — TwinCAT создает второй фрейм #1. Команда BRD при этом уходит во фрейм низкоприоритетной задачи #1.

Низкий приоритет не означает более длинное временем цикла. Не путайте приоритет и время цикла!

Теперь я хочу контролировать каждый модуль ввода по отдельности. Для этого через Sync Unit Assigment... я назначаю новый модуль синхронизации для Term4. Добавляю к имени SyncUnit символы @R — означающие повторную отправку фрейма мастером, в случае, если первый раз отправить не удалось.

Для этого подчиненный должен поддерживать эту возможность, о чем изготовитель модуля указывает в ESI-спецификации модуля. Включить поддержку этой функции в мастере можно через:
EtherCAT → Advanced Settings... → State Machine → Slave Settings → Cyclic Frames → Frame Repeat Support.

После этого TwinCAT добавляет во фрейм #0 еще одну команду LRD (теперь во фрейме две команды LRD):

#0 LRD, 2 байта,SyncUnit <default>, 10 мсек — один модуль дискретных входов Term2.
#0 LRD, 2 байта, Term4, 10 мсек — другой модуль дискретных входов Term4.
#1 LWR...
#1 BRD...

Теперь диагностика этих модулей будет происходить раздельно.

Новый эксперимент — я хочу одним из модулей выходов управлять быстрее. Для этого будет использоваться третья задача Task3 с временем цикла 15 миллисекунд:

Появляется третий фрейм #2 с командой LWR:

#0 LRD...#0 LRD...
#1 LWR, 2 байта, SyncUnit <default>, 100 мсек.
#2 LWR, 2 байта, SyncUnit <default>, 15 мсек.
#2 BRD, 2 байта, SyncUnit <default>, 15 мсек.

Приоритет задачи Task3 ниже чем у Task1 и Task2, поэтому команда BRD уползла во фрейм #2 задачи Task3:

EtherCAT Device Protocol

EtherCAT Device Protocol используется только для обмена данными между подчиненным устройством и мастером.

Фрейм

Фрейм целиком обрабатывается аппаратно с помощью специального микрочипа EtherCAT Slave Controller (ESC). Поэтому учитываются только фреймы с EtherType = 0x088A4 и EtherCAT Type = 1 (см. EtherCAT Automation Protocol).

Изображение: Beckhoff Automation GmbH (EtherCAT Slave Controller v2.2 2014-07-07)

EtherCAT телеграмма состоит из нескольких EtherCAT датаграмм, которые, в свою очередь, состоят из заголовка (header), данных (data) и 16-разрядного счетчика работоспособности WC (WkC, Working Counter).

Каждый подчиненный, выполнивший EtherCAT команду (чтение или запись — не важно), увеличивает значение счетчика WC на единицу или больше, в зависимости от типа команды. Получая пакет обратно, мастер знает сколько у него подчиненных и может сравнить ожидаемое значение счетчика с актуальным значением. Это позволяет системе определить полноценность исполнения EtherCAT команды.

Для представления данных датаграммы (Data) используется Mailbox Protocol. Кроме родного протокола ADS и его пакетов, в эту структуру можно уложить пакеты другого протокола, достигая трансляции вообще любых протоколов через EhterCAT. Например: CANOpen, SERCOS, PROFIbus и т. п.

Наиболее интересным будет заголовок EtherCAT датаграммы (Datagram Header). Он состоит из команды (Cmd) и адреса данных (Address). Адрес может быть автоинкрементальным, фиксированным (физическим) или логическим. Команда EtherCAT диктует, что делать с данными, расположенными по указанному адресу. Кроме этих двух полей, в заголовке расположены другая полезная информация:

• Index (индекс) — номер датаграммы, для контроля за дублированием или повторением датаграмм.
• Length (длина) — длина данных в датаграмме.
• R — зарезервирован.
• C (флаг циркуляции) — в случае обрыва соединения с мастером, фрейм может начать бегать по кольцу из подчиненных. Это не корректно.
• M (последняя ли датаграмма?) — последняя ли это датаграмма в EtherCAT-фрейме.
• IRQ (EtherCAT Event Request) — это поле необходимо для уведомления мастера о событиях, произошедших на подчиненных. Неизвестно кто из подчиненных непосредственно был инициатором события, поэтому программное обеспечение мастера должно самостоятельно разобраться с этим.

Команды

Нет смысла перечислять все команды, так как их аббревиатуры подчиняются ряду правил.

Действия:

• NOP — нет операции, подчиненный игнорирует эту команду.
• ..RD — записать в датаграмму считанные модулем данные (например, модуль дискретных входов).
• ..WR — запись данные из датаграммы в память по заданному адресу (например, де/активация выходов модуля дискретных выходов).
• ..RW — обмен данными датаграмма-память.

Адресация:

• AP.. — подчиненный наращивает автоинкрементальный адрес и что-то делает, если автоадрес получился равным нулю.
• FP.. — что-то сделать, если адрес в датаграмме соответствует одному из сконфигурированных адресов подчиненного.
• L.. — что-то сделать, если адрес в датаграмме соответствует логическому адресу FMMU-области (см. ниже).
• B.. — все подчиненные наращивают позицию.

Примечания:

• BRD — подчиненные помещают в датаграмму логическое ИЛИ между данными из памяти и данными из датаграммы.
• BRW — обычно не используется (аналогично команде BRD только данные помещаются в память).
• ARMW — подчиненный наращивает автоинкрементальный адрес и помещает в датаграмму  прочитанные данные, если адрес получился равен нулю. Иначе подчиненный сохраняет данные датаграммы в свою память. Например, эта команда используется для DC: прочитал "часы" на "эталоне" и передал дальше для всех подчиненных, которые сохранили его.
• FRMW — если адрес в датаграмме соответствует одному из сконфигурированных адресов подчиненного, то помещает в датаграмму прочитанные данные. Иначе подчиненный сохраняет полученные данные в свою память.

Упрощенно используется два вида адресации:

• Автоинкрементальная (Auto Inc Addr) — используется для идентификации физического (реального) положения устройства на шине EhterCAT. Он наращивается автоматически и необходим для автоматического назначение адреса для каждого подчиненного шины. Первый подчиненный получает автоматический адрес = 0 (0x0000); второй подчиненный — автоадрес = 0xFFFF, третий = 0xFFFE.
• Фиксированный адрес (EtherCAT Addr) — нужен для работы с модулем как с отдельным устройством (например, через CoE, CAN over EtherCAT). Если рассматривать внешнюю адресацию AmsNetId, то фиксированный адрес соответствует номеру порта устройства на шине (AmsNetId-подчиненного = AmsNetId-мастера).

Отображение

После обработки команды нужно как-то распределить данные в памяти. Все дальнейшие блоки и устройства нужны чтобы разгрузить процессор, но по прежнему быстро обмениваться данными память-шина-память.

FMMU (Fieldbus Memory Management Unit). Эти модули находятся между соответствующим SyncManager (SMx) и физическим уровнем. Задача FMMU в отражении локального адресного пространства подчиненных модулей на глобальное адресное пространство мастер-контроллера и наоборот. Другими словами — FMMU транслирует и раскидывает данные из логического операционного образа (фрейма, датаграммы) в физическую память и обратно. FMMU умеет работать вплоть до битовых полей.

Изображение: EtherCAT Technology Group (ETG.2200 V2.1.4)

SyncManager

Обеспечивает согласованность передачи данных, синхронизирует их, предотвращая одновременный доступ к памяти контроллера (DPRAM). Всего SyncManager может быть до 16 штук. Они могут работать в двух режимах:

Режим почтового ящика (Mailbox):

• Один буфер с режимом установки связи (handshake).
• Защита от переполнения буфера.
• Передающая сторона должна записать в буфер, перед тем как принимающая сторона сможет читать буфер.
• Принимающая сторона должна "вычитать" буфер, перед тем как передающая сторона сможет записать буфер.
• Используется для обмена данными "от случая к случаю" (иногда, нерегулярно) требуемых в данный момент данных.
• Стандартный способ для обмена параметрами данных, диагностики, конфигурации рабочего образа данных.
• Полнодуплексный.
• Подчиненный может инициировать передачу.
• Доступен уже из состояния Pre-Operational (Pre-OP).
• Позволяет реализовать множество протоколов:
• EoE (Ethernet через EtherCAT) — туннель Ethernet через EtherCAT.
• CoE (CANopen через EtherCAT) — для передачи словарей объектов (словарей PDO)
• FoE (Передача файлов через EtherCAT) — передача файлов, например, для перепрошивки устройства.
• SoE (SERCOS через EtherCAT) — доступ к параметрам сервоусилителей.
• VoE (уникальный протокол разработчика (Vendor specific) — разработчик может самостоятельно разработать свой собственный протокол.

Буферизированный режим (Buffered):

• Менеджер синхронизации с тремя буферами гарантирует целостность данных и доступ к новым данным в произвольный момент времени.
• Всегда доступный буфер для записи.
• Буфер чтения всегда заполнен гарантированно целостными данными (за исключением момент старта, то есть перед первой записью в буфер чтения).
• Используется для циклического обмена заранее сформированного списка данных (PDO).

Стандартное распределение SyncManager:

• Mailbox
• SM0 — Mailbox-вывод.
• SM1 — Mailbox-ввод.
• SM2 — PDO-вывод.
• SM3 — PDO-ввод.
• Buffered
• SM0 — PDO-вывод (или PDO-ввод, если отсутствует вывод).
• SM1 — PDO-ввод.

PDO всегда точно умещается в буфере соответствующего SyncManager. Поэтому размер PDO всегда ограничен.

PDO и SDO

PDO в терминах TwinCAT — это заранее подготовленный пакет с описанием набора параметров которые будут передаваться или синхронизироваться совместно. PDO заимствованы из CANOpen.

Словарь объектов — это не подсистема, а словарь который используется всеми подсистемами и описывает целевые данные которыми надлежит обмениваться, а также правила обмена. Словарь может храниться в различных местах, но в итоге объекты должны быть настроены одинаково.

Синхронизация обмена данными (ключевое слово SYNC) — необязательная, но целесообразная подсистема. При использовании данной подсистемы в сети существует генератор синхросообщений, периодически передающий высокоприоритетное сообщение SYNC. После появления в сети такого сообщения все синхронизируемые устройства производят обмен данными в течение заданного временного интервала(окно синхронного обмена данными). Коллизии (одновременная передача данных двумя и более устройствами) разрешаются на уровне физического уровня протокола CAN. Словарь объектов содержит перекрёстные ссылки откуда какие данные взять, и какие куда положить. Таким образом приложения не занимаются самостоятельно сбором данных — просто с точки зрения приложения в определённых переменных периодически оказываются свежие данные.

При обмене PDO, с точки зрения приложения, всё происходит автоматически по определённым правилам, и приложение, не обращаясь к сетевым примитивам, получает данные из переменных, как будто бы данные появляются внутри этого самого прибора. Для получения данных по принципу SDO приложение должно при помощи сетевых сервисов запросить данные у другого устройства, и только потом, получив ответ, использовать данные для работы. Поэтому основу обмена данными следует строить на PDO-обмене. К сожалению имеются ограничения на размер данных(8 байт для PDO, но можно использовать несколько таких PDO).

SDO стоит использовать только по необходимости. При SDO обмене данными, устройство, к которому обратились с запросом на получение или запись(dowload/upload) данных, называется SDO сервером, а устройство которое инициировало обмен — называется клиентом. В зависимости от объема передаваемых данных, обмен производится по разным алгоритмам, и может быть не менее эффективен чем PDO обмен. SDO обмен допускает производить контроль безошибочности данных, что позволяет даже загрузку отдельных порций исполняемого кода.

PDO в TwinCAT

Зоны в закладках System Manager → Process Data:

• Download
• PDO Assignment — можно изменять список готовых PDO (добавлять или исключать объекты-пакеты).
• PDO Configuration — можно изменять PDO (дополнять, убирать параметры в объект-пакет).
• SyncManager — какие SM и какого типа доступны для данного устройства.
• PDO Assignment — список PDO доступных для данного SyncManager и объектов которые включены для обмена. В зависимости от доступности, которое видно в зоне Download → PDO Assignment, это содержимое можно изменять.
• PDO List — словарь PDO, доступных для данной железки.
• Index — индекс PDO.
• Size — размер в байтах.битах (через точку).
• Name — Имя PDO. Если данный PDO закреплен за SyncManager, то данный PDO появится как параметр/переменная в дереве конфигурации контроллера с данным именем.
• Flags.
• F — неизменяемый PDO (Fixed), нельзя изменить состав данного PDO.
• M — обязательный (Mandatory).
• SM — номер SyncManager за которым закреплен данный PDO. Если не закреплен, то PDO не участвует в обмене данными.
• SU — номер SyncUnit за которым закреплен данный PDO.
• PDO Content — содержимое PDO (набор параметров которые будут передаваться или синхронизироваться совместно). В зависимости от доступности, которое видно в зоне Download → PDO Configuration, это содержимое можно изменять.

Полностью конфигурируемые PDO выглядят как:

Фиксированный набор PDO модуля дискретных сигналов:

• Predefined PDO Assigment — заранее подготовленные профили или наборы PDO.
• Load PDO info from device — выгрузить информацию о PDO из устройства, иначе будут использоваться локальные словари из каталога x:\TwinCAT\Io\EtherCAT.
• Sync Unit Assigment... — распределить PDO по фреймам.

Подробнее о настройках можно прочитать в справочной системе EtherCAT Slave Device.

EtherCAT Automation Protocol

Пробежим по EtherCAT от транспортировки пакетов, до синхронизации на уровне переменных в размеченных областях памяти.

Транспорт

Данные EtherCAT передаются в виде пакетов, которые полностью совместимы с Ethernet-пакетами. Это означает, что EtherCAT-пакеты на физическом (PHY) и MAC-уровне построены так, что для Ethernet-сетей они выглядят как родные и устройства типа роутеров, свичей и хабов могут передавать их не задумываясь, наравне с остальными пакетами Ethernet. Если же необходимы более высокоуровневые фишки (типа IP-роутинга), то без проблем можно перейти на уровень выше и поместить фрейм EtherCAT в UDP/IP датаграмму.

Изображение: beckhoff.com

Фрейм

Упрощенно EtherCAT фрейм состоит из заголовка и данных, но сейчас нам будет интересен только заголовок (header), который в свою очередь состоит из поля длины и поля типа данных, который определяет протокол передачи данных внутри пакета:

1. EtherCAT Device Protocol
• Тип 1: данные EtherCAT.
2. EtherCAT Automation Protocol (EAP)
• Тип 4: Синхронный обмен операционным пакетом, PD (Process Data Communication).
• Тип 5: Асинхронный обмен через "почтовые ящики" (Mailbox communication). Для асинхронного обмена доступен только протокол AoE (ADS over EtherCAT). Остальные протоколы, такие как CAN, SERCOS, PROFIBUS и т. п., передаются "внутри" его фреймов.

При непосредственном подключении EtherCAT-подчиненного к мастеру всегда используется EtherCAT Device Protocol (тип 1). Для этого на подчиненном устройстве устанавливается специальный микрочип — EtherCAT Slave Controller (ESC). Для остальных видов связи, в том числе и для построения сложных маршрутов, используется EtherCAT Automation Protocol (EAP, тип 4 или 5). Оба протокола могут использоваться как синхронно, так и асинхронно.

Подробнее о структуре фрейма EAP можно прочитать в справочной системе — EAP telegram structure.

Синхронный обмен

Ключевые слова — PD, PDO. Максимальная длина EtherCAT-телеграммы — 1472 байта. Синхронный обмен происходит с помощью следующей сетевой матрешки:

Изображение: beckhoff.com

Телеграмма состоит из заголовка Process Data Header (PDH) и одного или нескольких операционных наборов данных Process Data (PD). Заголовок содержит Publisher Id — уникальный идентификатор устройства отправителя (издатель, publisher) данных. Кроме него есть счетчик, нарастающий каждый цикл, и поле с общим количеством блоков, расположенных в PD.

Каждый операционный набор (PD, Process Data) состоит из одного или нескольких PDO. Каждый PDO состоит из заголовка PDO Header и одной или нескольких переменных PDO Variables. PDO Header содержит идентификатор переменной и ряд других полей: версия PDO, длина PDO, свежесть данных в 100 микросекундных интервалах.

Если асинхронный обмен может происходить в произвольные моменты времени, то синхронный обмен обязан происходить через равные промежутки времени, что достигается двумя способами:

1. Pushed Data Exchange (способ проталкивания) — когда "издатель" (Publisher) отправляет PD в сеть через равные промежутки времени или при изменении своего состояния, а "подписчик" (Subscriber) принимает и обрабатывает. Таким образом работают "сетевый переменные" (Network Variables) в TwinCAT 2. За один раз отправляется и принимается один фрейм данных.
2. Polled Data Exchange (опросный способ) — когда "клиент" отправляет запрос, в котором содержится его PD, а в ответ получает отдельный фрейм ответа с PD информацией сервера. Работает клиент-серверная архитектура, поэтому суммарно в общении участвуют два сетевых фрейма.

Здесь внезапно проявляется различие в работе протоколов EtherCAT Device Protocol и EAP, так как в случае с Device Protocol формируется один единственный большой пакет, в котором заранее предусмотрено место для данных подчиненных устройства. По мере прохождения пакета через кольцо EtherCAT-шины в эти пустые места EtherCAT-фрейма "на лету" будут вставляются данные подчиненного устройства. Это очень быстро.

В случае же с EAP можно достичь 10 миллисекундного отклика, если применяются свичи и гигабитный Ethernet; и 100мс отклик, в случае применения UDP/IP роутинга. Это медленнее, но более гибко и можно запускать через интернет. При этом не стоит забывать, что параллельно в сетях Ethernet могут общаться и другие устройства, что в свою очередь может привести к нарушении синхронности обмена сообщениями.

Pushed (1) способ передачи позволяет передаваться данные как на одно устройство, так и на группу устройств:

• Unicast: один издатель — один подписчик.
• Multicast: один издатель — группа заданных подписчиков.
• Broadcast: один издатель — все доступные устройства.

Polled (2) способ передачи связывает только два конкретных устройства.

Триггеры

Отправка EAP телеграм основана на механизме триггеров: происходит какое-то событие и если условие выполнено — происходит отправка ответа. Не рекомендуется использовать одновременно несколько условий для срабатывания триггера, так как система не может гарантировать их взаимодействие между собой.

Существует пять различных условий для срабатывания триггеров:

1. Poll Request Rx PD — пришла телеграмма опроса.
2. Divider/Modulo — регулярная отправка. Divider — это множитель для времени цикла отправки, Modulo — множитель для ожидания перед первой отправкой (смещение первой телеграммы).
3. Cycle Time — отправка через заданный интервал в микросекундах. Отношение интервала цикла передачи и длительность цикла задачи должны быть кратны целому числу.
4. Изменение состояния по таймауту (Change of State, CoS) — отправка происходит при изменении значения переменной. Если значение не менялось в течении заданного времени (в миллисекундах), то происходит повторная отправка того же значения, что и в прошлый раз.
5. Изменение состояния с гарантированным интервалом (Change of State, CoS) — отправка происходит при изменении значения переменной. Между отправкой старого и нового значений должно пройти не меньше заданного времени  (в миллисекундах).

В любом случае интервал или промежуток времени для условий должен быть равен или больше времени цикла задачи, опрашивающей устройство.

Подробнее о механизме триггеров — EAP Send Mechanism.

Конфигурирование

Ранее, в TwinCAT 2, такая модель называлась "сетевыми переменными" (Network Variables). В TwinCAT 3 ее назвали своим именем EtherCAT Automation Protocol. Так или иначе, в начале вы создаете несколько переменных базовых типов или даже структур, а затем TwinCAT автоматически транслирует их через Ethernet на другие устройства (контроллеры, ПЛК, и т. п). Тем самым вы получаете более-менее синхронные данные на обеих сторонах, без необходимости в написании кода для поддержки сетевой передачи данных программой.

Создание EAP-конфигурации:

• Добавление EAP устройства.
• Отправка переменных (источник данных).
• Подписка на переменные.
• Использование типов данных пользователя (структуры).

Конфигурирование EAP-устройства:

• EAP устройство.
• Издатель (Publisher Box).
• Переменные издателя.
• Подписчик  (Subscriber Box).
• Переменные подписчика.
• EAP между TwinCAT 2 и TC3 — обмен данными работает в обе стороны. Автоопределение сетевых переменных (Browse for Computer, Browse for File) работает только в одну сторону: TwinCAT 3 автоматически подхватывает переменные из TwinCAT 2.

Вебинар. Базы данных в приложениях TwinCAT 3

Данных стало много, данные важны, мы хотим еще больше еще более сложных данных. Желательно собрать их в облаке и анализировать в офисе за чашкой кофе или даже дома.

На прошлой неделе Паскаль Дресселгауз (Pascal Dresselhaus) рассказал и показал сервис, да-да, не сервер, а именно сервис для работы с базами данных: Database Server, Part 1: Database connectivity easily established with TwinCAT. Ссылка на видео вебинара где-то в конце поста.

Функциональная концепция

Все крутится вокруг TwinCAT Database Server | TS6420 (для TwinCAT 2), который представляет из себя сервис TwinCAT. Устанавливается и покупается он отдельно. Затем автоматически встраивается в TwinCAT и "прозрачно" предоставляет всякие удобные средства для работы с базами данных. Впрочем так делают любые другие сервисы TwinCAT, поэтому сам по себе он не сервер, а сервис — удобная прослойка, позволяющая автоматизировать ряд действий с базами данных.

Сервис Database Server | TF6420 для TwinCAT 3 умеет чуть больше. Во первых, он предоставляет объектно-ориентированную (ООП) библиотеку сущностей для доступа к БД, а во вторых, позволяет работать с базами не только из ПЛК-задачи, но и с помощью модулей C++.

Общение с невидимыми сервисами, начинается с конфигуратора: с помощью реактора запросов SQL Query Editor мы готовим запросы, а затем на выходе получаем XML-файл с конфигурацией (настройками) для БД. После этого не составит труда подключиться к базе данных из программы ПЛК-рантайма.

Работать можно тремя разными способами (различной степени сложности):

• Авто-конфигурация (Configure Mode) — мы используем только конфигуратор, а переменные и данные затем курсируют между контроллером и БД автоматически.
• ПЛК-эксперт (PLC Expert Mode) — из программы ПЛК используем специальные функциональные блоки, которые читают/записывают данные, но не требуют знания специальных команд БД (без SQL-команд).
• SQL-эксперт (SQL Expert Mode) — ФБ работающие непосредственно с SQL командами БД.

Существуют несколько различных топологий сети для работы с БД. Не обязательно устанавливать TwinCAT Database Server на каждый ПЛК, можно собирать и компоновать данные различными способами и только затем отправлять в БД. Аналогично и с SQL-сервером — его можно установить как на каждый ПЛК, так и на выделенный сервер, отдельно и в единственном экземпляре.

Конфигуратор

Инструмент интегрируется с Microsoft Visual Studio. Конфигурация интегрируется в решение (solution) как отдельный проект по аналогии с TwinCAT Measurement (цифровой осциллограф). Унификация, интеграция и прочая синергия, проповедуемая отделом маркетинга.

Новый конфигуратор собран из тех же, легко узнаваемых окон, что и более ранние версии из TwinCAT 2. Дерево конфигурации выглядит как ряд вложенных друг в друга настроек, среди которых можно, выбрать тип необходимой базы данных или воспользоваться автоконфигуратором таблиц.

Возможна ситуация когда несколько решений (solution) работают с одинаковыми базами (с одинаковыми настройками). Чтобы не плодить одинаковые настройки, в конфигуратор встроена поддержка коллекций настроек (пул настроек, Database Pool), из которых простым перетаскиванием можно быстро вытащить типовую настройку в новый проект.

SQL Query Editor — великолепный инструмент, позволяющий создать или отладить SQL-команды и сильно упростить работу с таблицами БД. Причем этот же инструмент позволяет работать не только с конфигуратором, но и впоследствии работать с записями базы данных в рабочих условиях. Также впоследствии не составит труда отредактировать структуру таблиц, типы полей, имена и другие свойства таблицы.

Нажатием одной кнопки в SQL Query Editor можно оттранслировать SQL-команды в текст ПЛК-программы, а структуру таблицы в структуры переменных ПЛК-задачи.

Авто-конфигурация

Другое название — группы автологирования (AutoLog Groups); они позволяют работать с БД без программирования. Выглядят как группы символов (переменных, symbols) закрепленные за таблицами и автоматически сохраняемые циклически или только при изменении данных.

Добавляется эта штука кликом правой клавишей мыши и выбором пункта меню Add AutoLogGroup. Все устроено действительно просто. Затем мы можем донастроить автологирование:

• Выбрать тип старта — вручную или автоматически вместе с загрузочным проектом (boot project).
• Задать время цикла опроса — как часто сбрасывать данные в базу.
• Как записывать — добавлять, перезаписывать уже существующие (обновлять) или использовать кольцевой буфер по времени или количеству записей.
• Режим записи — циклический, только при изменении значений.

Затем у нас появляется три ответвления для каждой из подготовленных групп:

• AdsDevice — источник (и только источник) данных. Можно подключаться по именам символов или по индексу группы-смещение.
• Symbols — открывает браузер целевой системы и отображает все символы ADS-устройства. По аналогии с осциллографом, где можно выбирать из каких переменных (а правильнее сказать символов) мы будем считывать данные.
• DBTable — выбираем таблицу в которую будут записаны данные переменных. Нас предупредят, если мы попробуем выбрать неподходящую таблицу. Если же необходимо поступить как-то оригинально, то напротив полей таблицы можно выбрать переменные, подготовленные в пункте Symbols.

Режим автоконфигурации

FB_PLCDBAutoLog

• RunOnce() — выполнить группу один раз. Например, по событию в контроллере.
• Start()
• Stop()
• Status() — контроль ошибок и состояние обмена данными.

ПЛК-эксперт

Читать и записывать данные переменных вручную, но без применения SQL-команд.

FB_PLCDBWrite

• Write()
• WriteBySymbol()
• WriteStruct()

FB_PLCDBRead

• Read()

SQL-эксперт

Совсем низкоуровневый подход: отправляем SQL-команды, работаем с транзакциями, выполняем хранимые процедуры (stored procedures) и другие прямые действия с БД.

FB_SQLStoredProcedure

• Execute()
• ExecuteDataReturn()
• Release()

FB_PLCDBCmd

• Execute()
• ExecuteDataReturn()

FB_SQLResult

• Read()
• Release()

FB_SQLCommand

• Execute()
• ExecuteDataReturn()

Поддерживаемые базы данных

В справочной системе есть список с нюансами:

• Microsoft
• MS SQL database
• MS SQL Compact 
• MS Azure SQL 
• MS Access 
• MS Excel 
• ODBC
• PostgreSQL
• DB2
• InterBase
• Firebird
• NET / ODBC — MySQL
• OCI / ODBC — Oracle 
• SQLite
• ASCII-файл
• XML базы данных

Можно подключить другие сервера БД. Для этого достаточно установить драйвер ODBC и настроить строку подключения.

Вопросы и ответы

Q: Что дальше?
A: TwinCAT Database Server все еще развивается. Активно разрабатывается интерфейс для C++ модулей реального времени. Работают над поддержкой модных NoSQL баз данных.

Q: Какая необходима версия TwinCAT XAE и Visual Studio?
A: XAE build 3.1.4012, VS 2013/2015. Не поддерживается VS 2010.

Q: Поддержка старых файлов конфигурации.
A: Да, поддерживаются. Старые ФБ также работают. Есть односторонняя преемственность.

Q: Влияет ли AutoLog на нагрузку контроллера и насколько?
A: Зависит от количества символов, контроллера и много еще чего. Попробуйте, но вообще это просто подключению к ADS-порту и обычное чтение данных через ADS.

Q: Контроль ошибок?
A: Да, есть. В том числе и через ФБ.

Q: Как дела с логированием оверсамплинг данных?
A: Поддерживаются не только стандартные типы SQL, но и работа с потоками байт (byte streaming). Уже есть рабочие проекты, но конечно же все будет зависеть от производительности и ресурсов конечных систем.