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.

Вебинар. Механизм распределенного времени

5 июля прошел вебинар по механизмам распределенного времени (EtherCAT | Distributed Clocks: Functional principle, application and diagnostics). Это простая в использовании технология и просто гигантская по объему, если копнуть чуть глубже. Как и вайфай — все пользуются, но мало кто знает как это работает внутри. По сути, вебинар пересказывает содержимое справочной системы, раздел Distributed Clocks, где кратко даны выдержки из документации по EtherCAT. Пришлось разбавить краткость дополнительными материалами.

Основы

В каждом устройстве поддерживающем DC, есть те или иные счетчики, ведущие отсчет времени или временных интервалов. Устройств много и у каждого свое время, но все они находятся на одной шине. Мастер шины, в нашем случае — это ПК/ПЛК с TwinCAT, старается циклически и как можно чаще отправлять пакет данных с сигналом о синхронизации.

Не все подчиненные должны, и не все поддерживают часы распределенного времени (DC [ди́-си́], Distributed Clock). Просто не всем оно нужно и наличие его — не делает модуль лучше.

Для начала, кто-то из подчиненных становится эталоном распределенных часов (reference clock). Это просто одно из подчиненных устройств (даже не мастер шины) с достаточно точным и стабильным источником временных отсчетов. Обычно, это первое устройство на шине, поддерживающее DC. Остальные устройства с поддержкой DC синхронизируются с этими часами (включая мастера), то есть они отстраивают свои часы согласно этому эталонному устройству.

Распределенное время — это не какое-то всемирное время или время дня, суток или время прошедшее с момента старта устройства, а просто некий счетчик для DC-часов, позволяющий синхронизировать временные интервалы. 

Плюс-минус 50-100 наносекунд — это обычная точность распределенных часов. Счетчик 64-разрядный, его должно хватить где-то лет на 500. Тикает он, согласно спецификации, с 10 наносекундным интервалом.

Железо

Внутри EthreCAT ASIC-чипа есть специальный блок ESC (EtherCAT Slave Controller) в том числе отвечающий за DC. Запуск системы часов распределенного времени состоит их нескольких фаз, первой из которых является измерение задержки распространения (propagation delays).

Каждый из подчиненных внутри себя имеет входную и выходную отметки времени, по которым можно легко вычислить на сколько задерживается пакет на каждом из подчиненных. Этот процесс контролирует мастер шины, отправляя одну или несколько широковещательных команд BWR (Broadcast Write). Эта команда адресует специальный регистр DC Receive Time Port, расположенный по адресу 0x0900.

После сбора всех временных отметок (time stamps), мастер шины, который отлично знает топологию шины, может рассчитать задержки распространения для каждого сегмента кольца шины. Затем, для каждого подчиненного, который умеет DC, мастер индивидуально записывает в специальный регистр System Time Offset смещение между эталонным временем и локальным отсчетом времени. Размер регистра те самые 8 байт или 64 разряда расположенные по адресу 0x0920. Теперь каждый DC-подчиненный может узнать системное время просто сложив свое локальное время (хранящееся в регистре Local Time) со сдвигом (offset).

Со временем локальные часы могут "уплыть" в большую или меньшую сторону, поэтому мастеру необходимо постоянно корректировать это отклонение (drift). Для этого постоянно отправляются специальные команды ARMW (Auto Increment Read Multiple Write) или FRMW с эталонным временем.

Эта команда всегда отправляется в самой быстрой задаче.

Подчиненное устройство (терминал) получив эту команду, сверяет значение локального времени и ускоряет или замедляет свои локальные часы.

Режимы работы

На вкладке DC → Operation Mode, можно увидеть следующие варианты режимов работы распределенных часов:

• Oversampling — с оверсамплингом, можно задать частоту отправки SyncUnit и частоту семплера, который для получения дополнительных отсчетов работает быстрее SyncUnit.
• DC Latch — только с DC, не работает без него.
• FreeRun / SM-Synchron — синхронизация по фреймам EtherCAT.
• DC-Synchron / DC-Synchron (input based) — TwinCAT делит устройства на группу ввода и группы вывода (плюс информационная зеленая группа). DC может синхронизироваться или там, или там. Этот вариант позволяет выбрать откуда подчиненное устройство будет брать DC-сигнал.

Тонкая настройка

I/O → devices → EtherCAT шина → EtherCAT - Advanced Settings... → Distributed Clocks

DC Mode → Automatic DC Mode Selection — по умолчанию, установлен и означает автоматический выбор эталонных часов. Обычно, этот выбор правильный.

Settings→ Continuous Run-Time Measuring — регулярно пересчитывать карту временных задержек. Применимо в случаях частой замены кабелей связи, либо при использовании групп горячего подключения (кабель может быть другой и он будет другой длины).
→ Sync Windwos Monitoring → Sync Window (мкс) — уровень предупреждения при выходе за пределы.
→  Show DC System Time — это копия системного времени, а не локальное DC-время! Отображается в желтой закладки Input, но(!) отстает на один цикл от точного значения, так как необходимо время на получение и отображение значения. В ПЛК-программе лучше использовать множество  функций из библиотек TcEthercat, которые дадут точное время.

SYNC Shift Time — сдвиг времени, обычно автоматически определяется правильно при старте системы. При условии, что система работает и построена правильно.

Диагностика

Diagnosis — у нас есть два отсчета DC-времени: системное — эталонное и локальное. Они немного отличаются. Даже в жесткой цикличности все-равно есть небольшие отклонения (deviation), которые тем не менее не должны привести к сбою синхронизации. Нужно постоянно подстраиваться. Здесь мы можем посмотреть на срез подстройки: в самом низу, проценты не должны убегать далеко от 50%.

Slave Diagnosis — диагностика подчиненного, появилась в TwinCAT 3. Здесь можно тестировать и смотреть графики, а затем регулировать SYNC Shift Time.

Хозяйке на заметку

• Wc-Error (working counter) — возможно необходимо поднастроить SyncUnit или подчиненный вообще выпал из рабочего режима (не в том режиме).
• Теряете фреймы (Lost frames) — проверьте CRC.
• Возможно, не хватает питания на EtherCAT-шине.
• Проверьте целостность кабелей и разъемов.
• Возможно неправильно отрегулированы DC-часы.
• Для оптоволокна (EK1122, EK1100) — проверьте правильно ли выбраны порты: часто путают входные-выходные.
• Проверьте DC Diagnosis: deviation должен быть рядом с 50% (51% / 48%).
• Идем глубже: в онлайн режиме проверьте у подчиненного ESC регистр 0x0910.
• Также проверить работает ли отсчет SYNC0/1 в регистре 0x0990?
• Если вдруг и внезапно все показатели равны 4.2 секунды, то возможно у вас модуль с оверсемплингом и вы получили переполнение 32-разрядных регистров.
• Слишком малое время цикла. Учитывайте, что на пересылку 1400-байтного пакета EtherCAT требуется порядка 125 микросекунд.
• Большой jitter — включите IO at task begin.
• Для перезапуска DC — мастер должен побывать в INIT состоянии.
• Кто эталон? Всегда хороший выбор — это коплер Бекхофф EK1100, так как в нем установлен ASIC-чип Beckhoff, а он очень стабильный и красивый.
• Большое количество Queued Frames — все очень плохо, систему нужно переконфигурировать или перестроить с начала и совсем.
• CU2508 поддерживает до 4-х колец с резервированием линий и DC.