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.